Comment la taille du collecteur s'adapte à la puissance du moteur
La puissance est importante. Il ne s'adresse tout simplement pas directement au collecteur.
Dans un collecteur brossé la relation de taille au premier passage provient de l'équation de sortie habituelle de la machine, de sorte que la taille active suit la puissance et la vitesse comme suit D²L ∝ P/N. Si les proportions restent dans le même voisinage, le diamètre suit une évolution beaucoup plus lente, approximativement avec la racine cubique de P/N. Le diamètre du collecteur est alors généralement choisi comme étant de l'ordre de 0.6D à 0.8D, Elle hérite donc de cette croissance lente. Plus de puissance, oui. Pas de façon linéaire. En général, c'est loin d'être le cas.
La partie qui croît le plus rapidement est généralement celle qui touche au courant : surface des balais, nombre de balais, longueur axiale, parfois nombre de bras de balais. C'est pourquoi deux moteurs de puissance très différente peuvent avoir des collecteurs dont les diamètres ne sont pas très différents, alors que leurs balais ne se ressemblent pas du tout.
Table des matières
La réponse propre
Si la vitesse et la tension restent fixes au sein d'une même famille de moteurs, le collecteur diamètre tend à augmenter lentement avec la puissance, tandis que le collecteur longueur et la surface totale de contact des balais augmentent beaucoup plus directement avec le courant d'induit. Si la puissance est augmentée en augmentant la vitesse, le diamètre peut à peine bouger car la vitesse de la surface du collecteur devient le point d'étranglement. Différente voie, différente pénalité.
Pourquoi la puissance est une variable de dimensionnement faible en soi
La puissance peut augmenter de trois façons :
- plus de couple à vitesse égale
- plus de vitesse pour le même couple
- un peu des deux
Le collecteur ne réagit pas de la même manière dans ces trois cas. Un couple plus élevé à tension égale signifie généralement un courant d'induit plus important, de sorte que la surface des balais et la charge de l'interface en cuivre augmentent rapidement. Une vitesse plus élevée augmente la vitesse périphérique, raccourcit le temps de commutation et peut empêcher le diamètre d'augmenter même si la puissance augmente. Même puissance sur la plaque signalétique. Problèmes de conception différents.
Il convient également de préciser d'emblée les limites du champ d'application : cette logique de mise à l'échelle est destinée à machines à collecteur à balais dans des conditions de conception similaires, mais pas pour tous les moteurs confondus. Dès que la disposition du bobinage, la classe de tension, le refroidissement, le fonctionnement ou la qualité des balais évoluent suffisamment, l'image de la mise à l'échelle commence à se déformer. Parfois beaucoup.
Les quatre limites qui déterminent la taille du collecteur
1) Densité du courant de balayage
Les valeurs traditionnelles de la conception d'un pinceau en carbone s'appuient sur 5,5 à 6,5 A/cm² dans les notes de conception utilisées pour le dimensionnement des machines. Les données publiées sur les qualités de brossage pour d'autres familles de graphites montrent des fourchettes pratiques plus élevées, souvent autour de 6 à 12 A/cm² pour certaines qualités électrographiques, avec également une capacité de vitesse plus élevée. C'est utile, mais cela n'efface pas la règle de base : lorsque le courant augmente, la surface de contact requise augmente également. Presque un pour un.
2) Vitesse de la surface du commutateur
Une vérification courante de la taille est v_c = π D_c N / 60. Un objectif conservateur permet de maintenir la vitesse de la surface du collecteur à environ 15 m/s ou moins dans la mesure du possible. Ainsi, à un régime plus élevé, le diamètre ne peut pas continuer à se dilater librement. Il arrive que la puissance augmente et que le diamètre du collecteur ne change pratiquement pas. C'est la longueur qui doit faire le travail. Ou la qualité des brosses. Ou les deux.
3) Volts par segment
Pour éviter que les tensions entre les barres ne s'aggravent, les conseils de conception traditionnels limitent la tension entre les segments du collecteur à environ 15 à 20 V, avec environ 10 V par conducteur dans le cas simple d'un seul tour. Cela signifie qu'une tension de sortie plus élevée nécessite généralement plus de segments, mais plus de segments pour un même diamètre, un même pas de segment. Une limite combat donc l'autre. Il ne s'agit jamais d'un simple problème de diamètre.
4) Pas des segments et géométrie des brosses
La hauteur des segments est généralement maintenue à 4 mm minimum pour la résistance mécanique, et l'épaisseur des brosses est généralement limitée à environ 4τc pour les machines supérieures à 50 kW et 5τc en dessous. Ce point est plus important qu'on ne le pense. Lorsque le courant augmente, il n'est pas possible de continuer à épaissir les brosses en prétendant que le collecteur l'absorbera. Au bout d'un certain temps, la machine veut plus de largeur, plus de balais, plus de longueur ou une disposition générale différente.
Qu'est-ce qui a tendance à croître en premier lorsque la puissance augmente ?
Il s'agit de la séquence habituelle dans une famille de même vitesse et de même tension :
| Changement avec l'augmentation de la puissance | Comportement typique |
|---|---|
| Courant d'induit | Augmente presque au même rythme que la puissance |
| Surface de contact des brosses requise | Augmente presque au même rythme que le courant |
| Longueur axiale du collecteur | Augmentation fréquente du nombre d'heures de travail |
| Diamètre du commutateur | Augmentation lente |
| Nombre de segments / pression d'enroulement | L'importance de la tension par segment et de la hauteur commence à se faire sentir. |
Le décalage intéressant est le suivant : le matériel lié au courant s'adapte rapidement, ce qui n'est pas le cas du diamètre. C'est pourquoi les collecteurs des machines à basse tension plus lourdes sont souvent longs avant d'être grands.
Un tableau approximatif des similitudes permet d'illustrer ce point :
| Multiplicateur de puissance | Multiplicateur de courant* | Multiplicateur de surface de brossage* | Multiplicateur de diamètre** |
|---|---|---|---|
| 1× | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| 2× | 2.00 | 2.00 | 1.26 |
| 4× | 4.00 | 4.00 | 1.59 |
| 8× | 8.00 | 8.00 | 2.00 |
Dans l'hypothèse d'une tension et d'une vitesse identiques. *En supposant que les proportions de la machine soient similaires, le diamètre correspond à peu près à la racine cubique du diamètre de la machine. P/N.
Cette table représente l'ensemble de l'argument sous une forme réduite. Quatre fois plus de puissance pas signifie quatre fois le diamètre du collecteur. Il s'agit souvent de quelque chose de plus gênant : autour de 1.6× de diamètre, mais en gros 4× Le collecteur est donc plus long, plus encombré et moins tolérant. Le collecteur devient donc plus long, plus encombré et moins tolérant.
Un exemple concret qui montre où se situe réellement la pression de la taille
Prendre un 5 ch, 1750 tr/min moteur à courant continu brossé. Comparez deux options de tension, 90 V et 180 V, avec la même efficacité supposée de 85%. Le courant nécessaire est d'environ 48.8 A à 90 V et sur 24.4 A à 180 V. Si vous calculez par rapport à une densité de courant d'une brosse en carbone d'environ 6 A/cm², la surface de contact effective requise s'élève à environ 8,1 cm². contre 4,1 cm².. Même puissance. Même vitesse. Presque le double de la demande de surface de balai à la tension inférieure.
C'est la raison pour laquelle la puissance des moteurs à basse tension est difficile à supporter pour les collecteurs. Le diamètre n'a peut-être pas besoin de bouger beaucoup, surtout si la vitesse de surface est déjà proche de la limite. Mais le collecteur a généralement besoin de plus d'espace axial, d'une plus grande largeur de brosse, de plus de brosses par bras ou d'un système de brosses plus performant. En général, il y a plus d'un de ces éléments.
Maintenant, retournez le problème. Gardez la tension fixe, gardez la vitesse fixe, et passez de 5 ch à 20 ch. Les zones de broussailles actuelles et requises grimpent d'environ 4×, tandis que le diamètre dans le cas d'une échelle de similarité ne veut croître que d'environ 1.59×. Il s'agit à nouveau du même décalage, mais plus bruyant.
Pourquoi un régime plus élevé peut bloquer la croissance du diamètre
Une machine plus rapide peut produire plus de puissance sans avoir un couple énorme. C'est vrai. Mais le collecteur perçoit la vitesse au niveau de la surface de frottement, et pas seulement la puissance. Une fois que v_c commence à s'approcher de la limite pratique, le diamètre supplémentaire devient coûteux. Pas en termes d'argent d'abord. En marge de commutation. C'est pourquoi les machines rapides gardent souvent un diamètre plus serré que ne le suggère l'intuition, et récupèrent la capacité de traitement du courant perdue avec la longueur, la sélection des brosses ou un point de fonctionnement moins agressif.
Il y a un deuxième problème. Une vitesse plus élevée pousse également la relation tension par conducteur, parce que la force électromotrice du conducteur s'adapte à la longueur active et à la vitesse périphérique. La vérification de la tension par segment et la vérification de la vitesse de surface commencent donc à peser sur la conception en même temps. C'est à ce moment-là que le simple discours sur la puissance cesse d'être utile.
A quoi ressemble généralement le sous-dimensionnement avant qu'il n'échoue
Le premier signe n'est souvent pas une étincelle catastrophique. C'est l'exiguïté de l'agencement.
Plus de piles de brosses. Plus de décalage. Pas moins confortable. Plus de pertes par frottement. Puis de la chaleur. Les estimations traditionnelles de la perte de collecteur se répartissent entre la perte de contact et la perte de frottement des balais, et les mêmes notes de conception indiquent que la taille du matériel permet généralement de maintenir l'augmentation de la température du collecteur en deçà de 55°C. Si le collecteur est trop petit, la machine a tendance à perdre rapidement cette marge.
C'est également la raison pour laquelle un collecteur peut être “électriquement suffisant” sur le papier tout en étant mal conçu. L'arithmétique est close. La surface ne l'est pas.
Une meilleure façon d'estimer la croissance du collecteur pendant le travail de conception
Utilisez cet ordre. Il est plus rapide et il manque moins de choses.
- Estimation de la taille active à partir de
D²L ∝ P/N. - Choisir un diamètre provisoire de collecteur comme suit
0.6Dà0.8D. - Vérifier la vitesse de la surface du collecteur.
- Vérifier la tension par segment et le pas du segment.
- Dimensionner la surface du balai en fonction du courant d'induit et de la densité de courant admissible.
- Ce n'est qu'ensuite que vous déciderez si le collecteur doit augmenter en diamètre, en longueur ou les deux.
Cette dernière étape est importante. De nombreuses estimations erronées partent du principe que “plus de puissance” signifie “plus de diamètre”. Souvent, la réponse la plus juste est “un diamètre un peu plus grand, un collecteur beaucoup plus long”. Machine différente. Même mot-clé.
FAQ
Le diamètre du collecteur est-il linéairement proportionnel à la puissance du moteur ?
Non. Avec des hypothèses de conception similaires, la taille de la machine active est la suivante D²L ∝ P/N, et le diamètre augmente beaucoup plus lentement que la puissance. Dans une famille comparable, le diamètre se comporte souvent plus comme une tendance à racine cubique que comme une tendance linéaire.
Pourquoi les moteurs à basse tension ont-ils souvent besoin de collecteurs plus longs ?
Parce qu'une tension plus basse signifie un courant plus élevé pour la même puissance, et que la surface de contact des balais suit le courant beaucoup plus directement que le diamètre ne suit la puissance. La capacité supplémentaire se traduit généralement par une augmentation de la surface des balais et de la longueur axiale avant de se traduire par une augmentation considérable du diamètre.
Qu'est-ce qui limite le diamètre du collecteur à haut régime ?
Principalement la vitesse de surface. Un objectif conservateur commun consiste à maintenir la vitesse périphérique du collecteur à un niveau proche de 15 m/s ou en dessous, dans la mesure du possible. Lorsque le régime augmente, le diamètre se heurte rapidement à cette limite, de sorte que la conception passe souvent par des modifications de la longueur et du système de brosses au lieu d'augmenter simplement le diamètre.
La puissance est-elle suffisante pour prévoir la taille du collecteur ?
Non. Il faut au moins la vitesse et la tension. Mieux encore : le courant, la densité de courant proposée pour les balais et un objectif de tension par segment. Sans ces éléments, la puissance seule est trop faible pour dimensionner correctement un collecteur.
Qu'est-ce qui croît en premier : le diamètre ou la longueur ?
La longueur, c'est-à-dire la surface totale de la brosse. Le diamètre augmente lentement et est freiné par les limites de vitesse de surface et de pas. Les exigences liées au courant se manifestent d'abord par la surface des balais, leur nombre et la longueur axiale du collecteur.
Un meilleur matériau de brossage peut-il résoudre le problème à lui seul ?
Parfois, elle permet d'acheter de la marge. Elle n'annule pas le reste des contrôles de conception. Les familles de balais à haut rendement peuvent permettre une densité de courant et une vitesse plus élevées, mais la tension du segment, le pas, le frottement et l'augmentation de la température restent toujours dans la boucle.
Si vous voulez la version la plus simple de la réponse, elle est la suivante : la taille du collecteur ne varie qu'indirectement en fonction de la puissance. Le diamètre suit lentement la puissance et la vitesse. Ce n'est pas le cas des pièces liées au courant. Par conséquent, lorsque la puissance augmente, le collecteur devient généralement plus grand. plus longtemps avant qu'il ne s'élargisse considérablement autour du bord.
