Общие сведения о бесщеточных двигателях: оптимальный зазор между потоками для высокой плотности крутящего момента

Что такое воздушный зазор?

Простой способ определить воздушный зазор — сказать, что это воздух в пространстве между статором и ротором двигателя.

Более конкретно, у нас могут быть аналогичные определения для двигателей переменного или переменного тока и двигателей постоянного или постоянного тока.

В двигателе переменного тока воздушный зазор — это воздушное пространство между сердечником ротора и статором. С другой стороны, говорят, что это пространство между полюсами и якорем двигателя постоянного тока.

Зазор между потоками — это расстояние между материалом с высокой проницаемостью в статоре («железо» статора) и соответствующим материалом с высокой проницаемостью в роторе («заднее железо» ротора). Этот материал обычно изготавливается из тонких пластин стали Fe-Si.

Как мы все знаем, в общем случае зазор между потоками должен быть как можно меньшим. 

Обратите внимание, что магнитный зазор включает в себя магниты. Редкоземельные магниты (намагниченные или ненамагниченные) имеют практически такую ​​же проницаемость, как и воздух. Следовательно, с точки зрения статора магниты неотличимы от воздуха и должны быть включены в состав магнитного зазора.

Как работает воздушный зазор?

Чтобы понять, как работают воздушные зазоры, сначала вспомните, что электродвигатели и генераторы — это вращающиеся электрические машины.

Это означает, что электродвигатели и генераторы работают очень похоже. Разница в том, что электродвигатели преобразуют подаваемую электрическую энергию в механическую. Вместо этого генераторы берут определенную механическую энергию и преобразуют ее в электрическую.

В обоих случаях процесс преобразования энергии происходит, когда статор и ротор работают вместе, генерируя магнитный поток через свои медные обмотки. Здесь в игру вступает воздушный зазор.

В воздушном зазоре формируется магнитное поле, а за создание магнитного потока отвечает одна из упомянутых выше обмоток, который должен пройти через воздушный зазор дважды для каждого полюса каждой фазы двигателя.

Некоторые из ключевых факторов, связанных с работой воздушного зазора::

Магнитная сила обратно пропорциональна квадрату расстояния. По мере увеличения размера воздушного зазора магнитное притяжение уменьшается, и его становится сложнее контролировать.

Увеличение размера воздушного зазора увеличивает ток намагничивания, который представляет собой величину тока, необходимую для прохождения магнитного потока через воздушный зазор.

Чем больше полюсов имеет двигатель или генератор, тем больше раз поток должен пересекать воздушный зазор за один оборот.

Все эти факторы приводят нас к выводу, что чем меньше воздушный зазор, тем лучше. Однако меньший воздушный зазор означает меньшее расстояние между движущимися частями ротора и статора. Вот почему контроль воздушного зазора в двигателях и генераторах имеет решающее значение, поскольку малейшее изменение соответствия воздушного зазора этим характеристикам может создать проблемы в работе машины.

Магнитная цепь состоит из кольца из мягкого железа, медной обмотки (2А, 250 витков), обозначенной зеленым прямоугольником, и воздушного зазора в кольце. Плотность потока (единицы Тесла) представлена ​​расстоянием между линиями потока и цветом: красный — самая высокая плотность, а синий — самая низкая. Очевидно, что плотность потока наибольшая в кольцах с малыми зазорами. Это кольцо также имеет наименьшее количество «утечки» потока в окружающий воздух.

Причина этой разницы в том, что воздушный зазор увеличивает сопротивление цепи. Сопротивление — это поток в магнитной цепи, точно так же, как сопротивление — это ток в цепи. Следовательно, магнитный поток в цепи зависит от общего сопротивления и приложенной магнитодвижущей силы (количества витков, умноженного на ток), так же, как ток зависит от общего сопротивления в цепи и приложенного напряжения.

Давайте подробнее рассмотрим, как изменяется поток в зависимости от самого зазора потока. Мы можем сделать это, проведя линию через зазор потока и измерив плотность потока в каждой точке линии.

Сделав это для зазоров между потоками 1 мм и 4 мм, становится ясно, что поток в середине каждого зазора остается одинаковым. Также видно, что поток в зазоре 4 мм в четыре раза меньше, чем поток в зазоре 1 мм. Таким образом, чтобы получить ту же плотность потока в зазоре 4 мм, нам нужно увеличить количество обмоток в четыре раза при том же токе или сохранить то же количество обмоток и увеличить ток в четыре раза. Эта концепция также может быть применена к электродвигателям и объясняет, почему инженеры обычно идут на все, чтобы сохранить зазор между потоками как можно меньшим.

Влияние размера магнитного зазора на крутящий момент простого двигателя

Крутящий момент, создаваемый двигателем, зависит от плотности потока в воздушном зазоре, и по мере увеличения размера зазора крутящий момент постепенно уменьшается.

Из приведенного выше обсуждения ясно, что в целом мы хотим, чтобы зазор между магнитными потоками был физически как можно меньшим, чтобы увеличить выходной крутящий момент двигателя, следовательно, это постоянная двигателя. Однако помимо производственных допусков нам также необходимо учитывать толщину магнита. В общем, если сделать магниты ротора длиннее, плотность потока на их полюсах тоже увеличится. Это увеличит выходной крутящий момент двигателя.

Если вы мало что знаете о внутреннем зазоре бесщеточного двигателя, вы можете связаться с нашим продавцом, и он даст вам профессиональный ответ.