Любой электродвигатель обладает следующими основными характеристиками:
- Потребляемая мощность
- Максимальный КПД
- Номинальная частота вращения вала
- Номинальный момент.

Потребляемая мощность электродвигателя определяется как произведение напряжения питания, которое подведено к щеткам (речь идет исключительно о коллекторных асинхронных двигателях постоянного тока - к которым относятся все без исключения двигатели, применяемые в приводах) на ток, протекающий через двигатель: P(Вт)=U(В)*I(А).
Максимальный КПД двигателя показывает, какая часть от подведенной энергии при номинальной нагрузке и номинальных оборотах преобразуется в механическую. КПД используемых в ЭПО коллекторных моторов составляет примерно 65..70%.
Механическая мощность двигателя есть произведение оборотов на момент: Pмех(Вт)=N(Рад/с)*M(Н*м), либо произведение электрической мощности на КПД: Pмех=P*КПД.
Стоит также сказать, что любой двигатель характеризуется зависимостью момента от оборотов - это называется механической характеристикой двигателя. У электродвигателей механическая характеристика <жесткая>: двигатель развивает примерно одинаковый по величине момент практически при любых оборотах вала, не превышающих максимальное значение. В зависимости от соотношения момента и оборотов, правда, значительно меняется КПД двигателя и потребляемый им ток. Так, например, при уменьшении оборотов двигателя потребляемый ток возрастает, а КПД падает (это очевидно из того, что произведение U*I (потребляемая мощность) возросло, а произведение N*M (механическая мощность) уменьшилось).
Габаритные размеры электродвигателя определяются в первую очередь количеством тепла, которое необходимо рассеивать в единицу времени. Предположив, что тип и КПД мотора фиксированы, масса двигателя линейно-пропорциональна его мощности. Отсюда следует первый важный вывод: максимальная достижимая мощность электродвигателей одного форм-фактора, КПД и массы идентична.
Соотношение числа полюсов ротора и статора определяет соотношение оборотов и момента на валу двигателя. Чем больше полюсов имеет ротор (соответственно увеличивается и число ламелей коллектора), тем выше будет номинальный момент двигателя и ниже номинальные обороты (при которых двигатель обладает наивысшим КПД).
Мощность постоянных магнитов статора определяет максимальный КПД двигателя, влияет на соотношение оборотов и момента на валу и на максимальную мощность. Двигатель со слабыми магнитами при прочих равных условиях будет вращаться с более высокими оборотами, но со значительно меньшим моментом. При попытке <нагрузить> мотор механической нагрузкой будет наблюдаться значительное снижение оборотов и значительное увеличение потребляемого тока с одновременным понижением КПД. Двигатель с мощными магнитами будет менее оборотистым и с более высоким моментом на валу. Мощные магниты являются одним из ключевых условий для возможности работы мотора на максимальной мощности.
Обмотки ротора характеризуются следующими основными параметрами: числом витков на зуб и активным сопротивлением. Между собой обмотки могут быть соединены двумя способами: звездой - у каждой обмотки один конец к отдельной ламели коллектора, а другой - в общий с другими обмотками узел, либо треугольником: к каждой ламели присоединен конец предыдущей обмотки и начало следующей. При числе полюсов более 3х конец и начало одной обмотки могут быть подсоединены не к двум последовательным ламелям, а через одну или несколько. В случае идентичного числа витков и толщины провода, соединение треугольником дает меньшее суммарное сопротивление, больший ток и бОльшую мощность при фиксированном напряжении питания. В заводских моторах обмотки всегда соединены треугольником.
Толщина провода и число витков связаны между собой, поскольку геометрическое пространство для обмотки фиксировано. Сечение провода всегда стараются максимизировать, чтобы максимально использовать доступное пространство: это снижает активное сопротивление обмоток и позволяет получить максимально высокий КПД, что в свою очередь позволяет снимать с мотора бОльшую мощность.
Провод обмоток может быть одножильным или многожильным. Многожильный провод проще мотать в домашних условиях (проще заполнить доступное для обмотки пр-во) и он дает чуть более высокий КПД за счет минимизации скин-эффекта, если использована, к примеру, высокочастотная широтно-импульсная модуляция питающего напряжения для плавного управления мощностью. Для коллекторных моторов обычно не актуально и поэтому обмотка выполнена в одну жилу.
Так как обмотки двигателя всегда занимают доступное пространство максимально плотно, максимальная мощность мотора не зависит от числа витков обмоток. Число витков определяет соотношение напряжения и тока при который двигатель развивает максимальную мощность. Двигатель с меньшим числом витков при неизменном напряжении питания будет потреблять бОльший ток и развивать более высокие обороты и момент. Двигатель с большим числом витков будет менее моментным и оборотистым при том же напряжении. Для работы с идентичной мощностью для маловиткового мотора требуется меньшее напряжение питания и больший ток, для многовиткового мотора - наоборот. При этом максимальная допустимая мощность обоих моторов будет одинакова и ограниченна условиями отвода тепла. Отсюда следует второй важный вывод: мощность мотора не зависит от типа намотки, тип намотки определяет лишь напряжение и ток, при которых двигатель разовьет свою максимальную мощность.
Дополнительным источником потерь и тепловыделения является щеточно-коллекторный узел. Контакт между щетками и вращающейся поверхностью коллектора обладает значительным активным сопротивлением, приводящим к нагреву. Кроме того, коллекторный узел создает дополнительное механическое сопротивление вращению вала, что также съедает часть мощности, преобразуя ее в тепло.
Что происходит с двигателем при перегреве?
В случае перегрева постоянных магнитов статора выше определенной температуры, называемой точкой Кури, те резко теряют свои магнитные свойства (на то время, пока температура превышает точку Кури). Лишившись <опоры> на внешнее магнитное поле, в обмотках ротора резко уменьшается генераторное ЭДС, противостоящее ЭДС источника питания - что эквивалентно уменьшению реактивного сопротивления обмоток. Ток через обмотки резко возрастает и тепловыделение значительно увеличивается, при этом двигатель не начинает производить больше механической работы: его момент и обороты остаются неизменными или даже понижаются. Точка Кури для обычных ферритовых магнитов наступает примерно при 80 градусах, для неодимовых может превышать 120 градусов Цельсия. Таким образом, перегрев мотора выше определенной температуры крайне опасен еще более резким нагревом и последующим выходом из строя.
По внешним признакам определить перегрев мотора очень сложно: частота вращения на слух не меняется и двигатель продолжает работать, а резкое увеличение тока и усиление нагрева невооруженным глазом не видно - до тех пор, пока из мотора не повалит дым.
При нагреве обмоток ротора выше 130-150 градусов начинается разрушение лакового изоляционного покрытия поводов, возможны межвитковые замыкания, увеличивающие ток и интенсивность нагрева еще сильнее. И хотя медь проводов обычно не плавиться (гораздо раньше сгорают щетки коллекторного узла или предохранитель - если есть), обмотки даже визуально становятся более темными или черными, для восстановления работоспособности мотора требуется перемотка.
В случае перегрева коллекторного узла поверхность ламелей начинает покрываться продуктами сгорания щеток, что значительно повышает сопротивление контакта щетки-коллектор и приводит к еще большему увеличению скорости нагрева. Увеличение тока через обмотки также приводит к увеличению тока через коллектор. Прежде, чем начнут плавиться и гореть открытым пламенем ламели и щетки, зачастую начинает плавиться и гореть изоляционная основа под ламелями коллектора.
Подводя итог, следует важный вывод: перегрев электродвигателя приводит к еще более быстрому усугублению ситуации и мотор выходит из строя очень быстро, скорость процесса ограничивается лишь теплоемкостью элементов двигателя и потребляемой мощностью. В случае начала перегрева до опасной температуры мотор нагревается за время от 5 до 30 секунд. Однако мотор не начнет перегреваться без определенных к этому предпосылок.
Ситуации, приводящие к перегреву мотора
Электродвигатель может перегреться в случае нарушения условий его работы, приводящих к внутреннему тепловыделению сверх допустимого уровня. Увеличение температуры внутри двигателя растет в трех случаях:
- При нарушении условий внешнего охлаждения (внешнего отвода тепла);
- При превышении допустимого тока;
- При превышении допустимого момента на валу.
Предположив, что условия воздушного охлаждения мотора неизменны, тогда имеем два способа перегреть мотор: повысив напряжение питания (при этом возрастает и ток) и/или увеличив механическую нагрузку на валу. Конкретизируя ситуацию до случая с электроприводным автоматом, увеличение момента на валу достигается установкой более жесткой боевой пружины, а увеличение напряжения - установкой аккумулятора с бОльшим числом элементов или меньшим внутренним сопротивлением. В большинстве случаев подобный прием не приводит к каким либо ощутимым последствиям потому, что мотор в приводе с запасом и изначально не работает на полную мощность в целях продления срока службы, а стрельба ведется относительно короткими очередями и мотор не успевает нагреться до опасной температуры.
Чтобы сохранить условия работы мотора неизменными, необходимо обеспечивать неизменные значения нагрузки на валу и напряжения питания. При установке более мощной пружины для сохранения момента на валу двигателя следует установить шестерни с бОльшим передаточным отношением (<моментные> ). При удачном подборе момент и обороты двигателя останутся неизменными (либо, по крайне мере, мало отличающимися от номинальных), однако будет наблюдаться некоторое снижение скорострельности, так как один цикл сжатия пружины будет происходить за большее число оборотов двигателя.
Чтобы легально повышать напряжение и момент без риска спалить движок, можно воспользоваться улучшением условий охлаждения двигателя: насверлить дополнительных отверстий в корпусе мотора и пространства вокруг него, установить на вал мотора небольшую крыльчатку для принудительной циркуляции воздуха, привинтить мотор к мощным металлическим элементам или радиаторам и т.д.
Подводя итог, можно сделать вывод относительно оправданности покупки <тюнинговых> моторов и их х-ках. Первое и самое главное: так как габариты мотора неизменны, максимальная мощность, которую можно снять с такого мотора, мало отличается от максимальной мощности штатного мотора. Положительные отличия могут заключатся в наличии в фирменном моторе более мощных редкоземельных магнитов и меньшем числе витков - такой двигатель будет обладать более высоким КПД, а максимальную мощность развивать при меньшем питающем напряжении. Однако, маловитковый мотор можно легко спалить, подав (к примеру) те же 14 вольт, которыми приходилось питать старый мотор для работы в паре со 140-ой (150-ой, 160-ой...) пружиной, так как двигатель с малым числом витков разовьет значительно бОльшую мощность. Таким же образом можно повредить саму механику внутри компрессора.

Карта проезда:

Рейтинг@Mail.ru