Многие считают, что самая важная характеристика любого электродвигателя — это мощность. Про такой важный параметр, как крутящий момент, не все слышали и не все понимают его важность для тяговых электроприводов.
В погоне за мощностью
Главная цель большинства разработчиков — достижение максимально возможной удельной мощности электродвигателя, измеряемой в кВт/кг. То есть ставится важная для многих систем электродвижения задача обеспечения высокой мощности электродвигателей при их минимальных массогабаритах. Наиболее популярный способ решения задачи – это наращивание мощности путём увеличения номинальных оборотов до нескольких десятков или даже сотен тысяч оборотов в минуту!
Однако по мере увеличения оборотов электродвигателя лавинообразно нарастают неприятные проблемы с подшипниками, механической прочностью ротора и высокочастотными потерями. Основные высокочастотные проблемы и ограничения связаны с так называемым «скин-эффектом» в обмотках, вихревыми токами Фуко в сердечнике и недостаточным быстродействием силовых ключей частотных преобразователей. Преодоление всех этих проблем приводит к существенному увеличению стоимости и технологической сложности электродвигателя.
Далее возникает вопрос: а что делать с двигателем, который крутится на бешеных оборотах? Ведь обороты, на которых требуется крутить, например, колесо или воздушный винт могут оказаться во много раз меньше!
Вращающая сила
Разработчики проекта «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» выбрали совершенно другой подход для решения задачи обеспечения высоких силовых характеристик при сверхмалых массогабаритах электродвигателя. Дело в том, что колесо, насос или воздушный винт на самом деле приводится в движение не мощностью, а вращающей силой!
Немного теории: для тяговых электроприводов необходимо обеспечить требуемую вращающую силу, которую называют также моментом силы или крутящим моментом (М). В таких системах вращающая сила должна достигать максимальных значений, начиная со старта.
График зависимости мощности (P) и крутящего момента (M) от оборотов (n), где: Мном — номинальный крутящий момент (в режиме S1), Н·м; Ммакс — максимальный крутящий момент (в режиме S2), Н·м; Pном – номинальная мощность (в режиме S1), кВт; Pмакс – максимальная мощность (в режиме S2), кВт; N – номинальные обороты, об/мин
Из графика зависимости мощности синхронного электродвигателя от оборотов видно, что его мощность не является постоянной величиной, но в рабочем диапазоне оборотов линейно растёт по мере увеличения оборотов. Для точного определения мощности (P) электродвигателя в качестве его технической характеристики выбирается оптимальная точка на графике, которая определяет номинальную мощность (Pном) на номинальных оборотах (N).
В отличие от асинхронных, именно у синхронных электродвигателей с независимым возбуждением номинальный и максимальный крутящие моменты остаются постоянными во всём рабочем диапазоне оборотов. Постоянный номинальный крутящий момент — это одно из важнейших преимуществ синхронных электродвигателей и обеспечивается даже на минимальной мощности. На графике соответствующие крутящие моменты обозначены «Mном» и «Ммакс».
Формула зависимости мощности (P), крутящего момента (M) и оборотов (N) для многополюсного синхронного двигателя с независимым возбуждением выглядит достаточно просто:
P = kMN, где k – коэффициент, зависящий от количества пар полюсов синхронного электродвигателя.
Таким образом, увеличивая обороты синхронного электродвигателя или крутящий момент, можно пропорционально увеличивать его мощность, что, в свою очередь, приводит к пропорциональному росту удельной мощности.
Преобразование мощности в крутящий момент
Перед создателем любого тягового электропривода с применением высокооборотного электродвигателя возникает необходимость преобразования мощности в крутящий момент, сопровождающийся переходом от высоких оборотов к низким. Такое преобразование осуществляется с помощью механического редуктора.
Однако применение редуктора приводит к неизбежному увеличению сложности, масса-габаритов и стоимости электропривода на фоне снижения КПД, надёжности и рабочего ресурса. Если речь идёт о сервоприводе, то любой механический редуктор, кроме всего прочего, снижает точность позиционирования.
Кроме того, в реальных условиях увеличение номинальных оборотов электродвигателя приводит к уменьшению удельного крутящего момента (M), который в системе СИ измеряется в Н·м/кг, а в метрической — кгс·м/кг. Если хочется получить минимальные массогабариты электродвигателя, то придётся выбирать между концепциями высокой удельной мощности за счёт высоких оборотов и высоким удельным крутящим моментом на малых или сверхмалых оборотах.
Избавляемся от редуктора!
Применение тяговых синхронных электродвигателей с высоким удельным крутящим моментом позволяет существенно снизить коэффициент редукции или полностью отказаться от механического редуктора, обеспечив переход на прямой привод со всеми вытекающими отсюда преимуществами.
Удельный крутящий момент синхронных электродвигателей «ЭЛЕКТРОМОМЕНТ» серий EM, iEM и sEM в 5-10 раз выше, чем у аналогичных по мощности асинхронных и коллекторных электродвигателей! Столь высокий крутящий момент электродвигателей EM/iEM/sEM позволяет либо существенно снизить коэффициент редукции, либо полностью отказаться от механического редуктора!
Благодаря запатентованным технологиям синхронные электродвигатели серий EM/iEM/sEM в 2-5 раз компактнее и легче других синхронных (в том числе, «вентильных») и коллекторных электродвигателей с таким же крутящим моментом!
Для продвинутых: режим постоянной мощности
На графике зависимости мощности и крутящего момента от оборотов видно, что при превышении номинальных оборотов (N) синхронного электродвигателя его крутящий момент (M) начинает снижаться. Также падает и КПД. Это происходит потому, что практически любая электрическая машина обратима и может одновременно работать и как электродвигатель, и как электрогенератор. При превышении номинальных оборотов, вырабатываемое электродвигателем напряжение начинает «бороться» с питающим напряжением от частотного преобразователя. Чем больше увеличиваются обороты относительно номинальных, тем сильнее электродвигатель влияет на источник питания, снижая КПД и крутящий момент электропривода.
На практике превышение оборотов на 20-30% относительно номинальных далеко не всегда рассматриваются как нежелательный или запрещённый диапазон для синхронного электропривода. Например, в электротранспорте диапазон оборотов, превышающий номинальные, часто используется для кратковременного достижения максимальной скорости, когда фактор экономичности временно отходит на задний план. При этом современные частотные преобразователи хорошо умеют справляться с такой ситуацией и автоматически переходят в режим обеспечения постоянной мощности.
Таким образом, оптимальный выбор номинальных оборотов (N), а также допустимость и степень их превышения для конкретного синхронного электропривода — это продуманное решение разработчика электропривода, основывающееся на конкретных приоритетах.
