103 подписчика

Ослабление поля для чайников. Тюнинг электромопеда

11 июля 202111 июл 2021

1741

7 мин

Оглавление

Введение
Основы
Номинальный режим работы

Введение

Данная статья написана с целью пояснить суть процессов, происходящих в двигателях электротранспорта, в первую очередь в двигателях постоянного тока на постоянных магнитах которые устанавливаются в электромопеды, электровелосиды и т.п.

Являясь обладателем электромопеда суррон я много общаюсь в профильных чатах и форумах и часто всплывает вопрос про фазный и батарейный ток (что это такое я пытался объяснить в этой статье https://zen.yandex.ru/media/id/5f73636d9f4eef15c7f35001/faznyi-i-batareinyi-tok-dlia-chainikov-tiunig-elektromopeda-6038b6fcd4391d5d92535588), а также про ослабление поля.

Часто складывается ситуация, что люди, которые реально понимают суть вещей либо не могут, либо не хотят объяснять их неофитам, а в то же время в русскоязычном интернете сведений про ослабление поля применительно к электровелосипедам (или хотя бы просто двигателям постоянного тока) и т.п. крайне мало, они скомканы и трудны для восприятия неподготовленному человеку (чайнику).

В нашем сегменте интернета неплохо освещены вопросы применения ослабления поля для электровозов, есть учебники, однако читать целый специфический учебник по электровозам для понимания качественно сути процесса на мой взгляд это перебор.

Кроме того, необходимо помнить, что любое объяснение зависит от подготовки слушателя, от глубины в которую мы хотим закопаться и целей которых хотим достичь. Эта статья популярная, то есть рассчитана на максимально широкий круг читателей, что приводит к пояснению только сути процесса без копания в глубинах и деталях, для того чтобы у любопытствующих чайников было понимание, что, собственно, происходит и, возможно, появился интерес для изучения темы глубже.

Основы

Как, надеюсь, мы все помним из курса школьной физики электродвигатель и генератор, по сути, это одно и то же. Разница только в том, что мы хотим от него получить: если подали напряжение, то вращается ротор, если вращать ротор, то получим на выходе статора напряжение. Эти процессы возможны благодаря тому, что при движении проводника в магнитном поле в проводнике наводится напряжение и наоборот. Однако природа не знает о наших намерениях сделать двигатель или генератор и когда мы используем данную машину как двигатель он не перестает быть генератором. Таким образом, в процессе работы двигателя он так же генерирует напряжение в обмотке, направленное противоположно приложенному от источника внешней ЭДС, я буду называть это напряжение обратной электродвижущей силой (ОЭДС) иногда это называют противо-ЭДС или back EMF.

Простейшую систему – источник питания (источник внешней ЭДС), двигатель я показал на рисунке. Для простоты в качестве источника внешней ЭДС в случае суррона подразумевается контроллер. Двигатель состоит из кучи проводов обмотки, соответственно, это будет его сопротивление, а когда он начнет работать то будет вырабатывать ОЭДС, что изображено в виде дополнительного виртуального источника ЭДС, причем тока от ОЭДС потечет противоположно току от внешнего ЭДС. При этом надо помнить, что чем больше обороты двигателя темы выше будет ОЭДС.

Номинальный режим работы

Если записать уравнения баланса напряжений в цепи, то мы получим:

Таким образом видно, что полезное результирующее напряжение, на котором работает мотор (то которое через ток переходит в механическую энергию вращения, иначе говоря - скорость) уменьшается с ростом оборотов. То есть обороты (а соответственно и скорость мопеда) будут расти до тех пор, пока ОЭДС не уменьшит напряжение, подаваемое в цепь от батареи, таким образом, что результирующего напряжения будет хватать только на поддержание достигнутой постоянной скорости движения.

Такой режим работы двигателя в балансе называется номинальным (rated) и обычно двигатели рассчитываются именно для номинального режима работы. В этом режиме двигатель может работать без перегрева сколь угодно долго.

Превышение номинального режима работы

Для того, чтобы двигатель выходил на номинальный режим за адекватное время он проектируется примерно с трехкратным запасом по токам, температурам, частоте вращения. Таким образом у нас появляется возможность превысить номинальную частоту вращения, без рисков разрушить двигатель (ну или почти без рисков).

Рассмотрим уравнение баланса, видим, что для превышения номинальной скорости вращения надо либо увеличить напряжение источника, либо каким-то образом уменьшить ОЭДС. Вариант с увеличением напряжения источника слишком неинтересный и банальный, не будем его рассматривать (к тому же мы не можем поднять напряжение выше напряжения батареи, для суррона - 60В, без замены самой батареи).

Если же получится каким-то образом уменьшить ОЭДС, то при том же напряжении источника мы сможем увеличить результирующее напряжение, остающееся на двигателе и соответственно ускоряться выше номинальных оборотов до тех пор, пока ОЭДС вновь не вырастет таким образом, что система не придет в равновесие на какой-то определенной скорости (однако эта скорость уже будет выше номинальной).

Ослабление поля

Итак, мы подошли к самому интересному, какую же роль играет ослабление поля во всей этой истории. Запишем формулу для ОЭДС:

Как несложно догадаться, когда мы говорим про ослабления поля мы говорим именно про уменьшение поля ротора проходящее через обмотку статора. То есть, чем меньше значение f тем меньше будет величина ОЭДС и тем больше напряжения нам останется для работы двигателя и тем больше будет его скорость вращения.

Однако в таком случае:

Как нам уменьшить поле ротора если он состоит из постоянных магнитов?

Ответ на него прост (в отличие от практической реализации), необходимо подать ток на обмотку статора противоположный по направлению току ОЭДС таким образом, чтобы поле созданное этим током стало направлено против поля ротора и тем самым ослабив суммарное поле внутри обмотки статора, а так как поле внутри проводника статора будет слабее уменьшиться и величина ОЭДС.

Однако, как нам подсказывает диалектика, ничего не бывает бесплатно. Крутящий момент развиваемый двигателем прямопропорционален величине поля ротора и фазному току, то есть:

Где: Т - крутящий момент; psi-поле ротора; I - фазный ток.

Таким образом если мы уменьшим поле ротора вдвое нам необходимо вдвое увеличить фазный ток для того, чтобы момент остался прежним. Кроме того, необходимо еще помнить что мы подаем в двигатель дополнительный ток для ослабления поля.

Таким образом общая тепловая нагрузка на двигатель значительно возрастает и для того чтобы он не перегрелся мы не можем так сильно поднимать фазный ток, поэтому момент при ослаблении поля падает.

Качественно процесс показан на графике. Где Tmax – максимальный крутящий момент, Flux - магнитное поле ротора, Voltage - напряжение источника питания. График нормирован и отображает качественную картину.

Источник (https://www.quora.com/What-is-a-laymans-explanation-for-the-flux-weakening-region-of-a-DC-brushless-synchronous-motor)

Таким образом видно, что пока мы находимся в зоне постоянного магнитного поля ротора и результирующее напряжение растет, растет и скорость, крутящий момент при этом постоянный. При достижении точки баланса (номинальной скорости) на графике это точка 1, чтобы ускоряться дальше мы начинаем понижать поле и за ним понижается и крутящий момент при этом скорость продолжает расти за счет уменьшения обратной ЭДС, до тех пор, пока крутящего момента будет достаточно для ускорения.

На видео можно посмотреть как суррон преодолевает номинальную скорость в 70кмч используя ослабление поля.

Выводы

Таким образом способ увеличить обороты двигателя за счет ослабления поля действительно неплохой вариант если у вас нет возможности повысить напряжение батареи, однако при этом нужно учитывать что режим ослабления поля должен поддерживаться в контроллере, а так же то, что двигатель в режиме ослабления (после номинальной скорости) будет греться больше, а ускоряться медленнее по сравнению со способом увеличения максимальной скорости путем банального повышения напряжения батареи. Кроме того возрастет нагрузка на механическую часть, возможно придется менять подшипники чаще.

Внимание. Важно!

Если вы будете ехать в режиме ослабленного поля и что-то пойдет не так и поле перестанет ослабляться, то ОЭДС скачкообразно вырастет и большой ток пойдет обратно в батарею, это может спалить в лучшем случае предохранитель, а в худшем контроллер или батарею, не говоря уже о том что колесо во время движения на большой скорости заблокируется, что может привести к аварии.

Поэтому пользоваться ослаблением поля надо аккуратно, без фанатизма и отдавая себе отчет в том чем вы занимаетесь.