Возможность увеличения энергии рекуперации электродвигателя при механическом торможении его вала

В статье рассмотрена возможность увеличения энергосбережения при механическом торможении вала электродвигателя. Результаты эксперимента показали, что энергоэффективность в новой спроектированной конструкции электродвигателя с вращающимся статором при механическом торможении, больше в 2.5 раза, чем в аналогичном электродвигателе со статичным статором.





Известно, что электродвигатель при торможениях может вырабатывать электроэнергию. Такое торможение широко используется в электромобилях, трамваях, троллейбусах, электричках, поездах, а также в центрифугах и в подъемно-транспортной технике (краны, подъемники, лифты) и т.д., но при этом количество вырабатываемой электроэнергии в режимах механического тормоза сравнительно мало.



Диаграммы характеризующие один из режимов получаемой энергии рекуперации совместно с механическим (фрикционным) тормозом, для гибрида. График взят отсюда.

Было замечено, что статор двигателя может вращаться при торможениях, если дать для этого ему возможность, например поставить в подшипник. Пришла идея использовать энергию такого вращающегося статора, т.е. здесь остановившийся из-за механического торможения ротор, будет выполнять роль статора, а вращающийся статор, роль ротора. Условное изображение этого процесса показано на видео, сначала вращается условный ротор, с нагрузкой на валу, потом условный статор:



Естественно, для достижения нужного момента на валу, его статор должен быть статичным. Скорость вращения статора, при механическом торможении, здесь будет зависеть от достигнутого момента на валу, момента инерции самого статора и момента трения, от которого зависит вращение статора. Т.е. формула, которая описывает вращение статора должна выглядеть вот так:



— угловое (вращательное) ускорение статора
— угловое (вращательное) ускорение вала перед торможением
— момент инерции статора
— момент инерции вала


— момент трения действующий на вращение статора

Опишем подробней эксперимент. Была изготовлена экспериментальная установка:



Она состояла из переносной платформы, на которой был укреплен электродвигатель, тормоза и измеряющие приборы. Для электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов, мощностью 250 Вт, был сделан переходник из текстолита, в который вворачивалась стальная шпилька, шпилька вставлялась в корпусной подшипник, переходник позволял вращаться статору в подшипнике при торможении вала двигателя, а также по выбору, для последующих сравнений, оставлять статичным статор, с помощью вставляемого упора.
К валу электродвигателя присоединялся алюминиевый диск диаметром 300 мм, толщиной 10 мм, а к диску, в свою очередь, устанавливался ручной механический тормоз.
При механических торможениях, энергия рекуперации подавалось в двухканальный USB-осциллограф PCS 250, осциллограф выдавал значение этой энергии на компьютер.
Для измерения энергии, от установки на второй канал осциллографа подсоединялись несколько резисторов сопротивлением 1 Ом, мощностью 20 и 100 Вт, соединенные параллельно между собой, которые служили для расчета тока в цепи.
Запись данных энергии рекуперации при механическом торможении вала, проводились в двух режимах, при не вращающемся статоре и вращающемся статоре. Для этих двух режимов был выбран одинаковый максимальный интервал частоты вращения диска, при котором велась запись данных эксперимента, этот интервал составлял от 500 до 600 об/мин. Всего было сделано 12 замеров для каждого режима.
В итоге для обработки были взяты по 8 измерений для каждого режима. Чтобы среднеарифметическое значение максимальной частоты вращения вала перед торможением, для двух режимов были примерно одинаковы.
С помощью расчета среднеквадратичного отклонения (для каждого режима отдельно) были отсеяны результаты получаемой энергии рекуперации, не попадающие в доверительный интервал.
Для вращающегося статора среднеарифметическое составило 558.5 (об/мин), для статичного статора 559.1 (об/мин).
Среднеарифметическое значение получаемой энергии рекуперации при механическом торможении для вращающегося статора составило 5.3 Дж, для статичного статора 2.04 Дж.



Количество испытаний и число получаемой энергии для двух режимов

Стоит обратить внимание на характер полярности выдаваемой энергии рекуперации при механических торможениях, в электродвигателе новой конструкции напряжение меняло свою полярность, на обратную:



А в конструкции со статичным статором, напряжение не меняло свою полярность:



На рисунках заштрихована область механического торможения. Одна клетка на осциллограмме для t (времени) равна 200 мс, для U (напряжения) равна 0.2 В.

Чтобы использовать энергию обратной полярности, можно использовать для этих целей переключатель полярности.

Также стоит заметить, что рекуперация с вращающимся статором в режиме без механического торможения будет меньше, поэтому время «включения» вращения статора перед механическим торможением должно быть по возможности минимальным, но достаточным, чтобы энергия вращения от ротора перешла на статор. Судя из осциллограмм достаточным было время около 100 мс, и в этом промежутке времени не видно значительных потерь, вероятно, можно еще уменьшить время до механического тормоза. Были идеи сделать второй статичный статор над вращающимся статором, чтобы уменьшить потери при не механическом торможении, но это усложнит конструкцию электродвигателя.

Предшествующей этой разработке, была конструкция с электродвигателем последовательного возбуждения, в которой статор, также осуществлял вращения, при механическом торможении вала.





Вывод: В опытной конструкции двигателя при механическом торможении вала с вращающимся статором получается в 2,5 раза энергии рекуперации больше чем со статичным статором, что наглядно иллюстрирует возможность повысить энергосбережение электродвигателей в режимах механического торможения. Количество энергии рекуперации здесь будет больше чем больше перед торможением момент вращения вала и чем меньше момент трения у вращающегося статора, а также допустимый для вращения статора его момент инерции, а чем меньше момент вращения вала и больше момент трения вращающегося статора и т.д., тем энергия рекуперации будет меньше, т.е. не смотря на получаемый эффект стоит задаться вопросом об окупаемости и надежности конструктивных изменений для устройства, в котором может использоваться электродвигатель с таким эффектом.

Ведение проекта: Юлиан Барышников (проектировка, сборка, проведение эксперимента, изготовление деталей, написание статьи, идея) — iulianbaryshnikov@yandex.ru

Помощь проекту: Виталий Азаров (проектировка, сборка, проведение эксперимента), Сергей Лангин (проектировка, сборка, проведение эксперимента), Антон Алёшкин (проектировка, сборка, изготовление деталей), М.В. Яковицкая (редакция статьи), Александр Троицкий (проведение эксперимента), Николай Еремин (измерительный прибор), Алена Чумак (проектировка), Фаблаб Политех СПб (изготовление деталей, измерительный прибор, проведение эксперимента).

Источник: habrahabr.ru/post/225415/