Высокомоментные бесколлекторные приводы постоянного тока для управления системой рециркуляции отработавших газов и выпускным коллектором промышленных двигателей

Промышленные двигатели работают в условиях, значительно более жестких, чем в автомобильной промышленности. Более высокие нагрузки, более длительные рабочие циклы, накопление сажи, вибрация и экстремальные температуры — все это увеличивает механическую силу, необходимую для перемещения воздушных и выпускных регулирующих клапанов с течением времени.

Именно здесь многие электрические приводы выходят из строя. Системы, которые показывают хорошие результаты во время начальных испытаний, часто теряют надежность после длительной эксплуатации, потому что привод не имеет достаточного запаса крутящего момента, чтобы преодолеть растущее трение и нагрузки от давления.

В этом руководстве объясняется, почему возникает дефицит крутящего момента привода в применениях с промышленными двигателями, как распознать, когда привод недостаточно мощный, и как высокомоментные бесколлекторные приводы постоянного тока (BLDC) повышают надежность в системах EGR, перепускных заслонок (wastegate) и дроссельных заслонок выпускной системы.

Краткий обзор

• Промышленные клапаны EGR и выпускные клапаны обычно требуют значительно большего крутящего момента, чем могут обеспечить компактные автомобильные приводы.
• Накопление сажи, термоциклирование и нагрузки от давления со временем увеличивают требуемый крутящий момент.
• Недостаточно мощные приводы часто выходят из строя из-за остановки под нагрузкой, ошибок позиционирования или медленной реакции.
• Высокомоментные бесколлекторные приводы постоянного тока (BLDC) обеспечивают точное электрическое управление, сохраняя при этом надежность в тяжелых условиях эксплуатации.

Почему происходят отказы приводов в применениях с промышленными двигателями

Промышленные двигатели создают постоянную механическую нагрузку на компоненты управления воздухом и выпуском. В отличие от автомобильных систем, которые работают с перерывами и в контролируемых условиях, промышленные двигатели должны сохранять производительность под длительной нагрузкой и в суровых условиях эксплуатации.

Несколько факторов увеличивают требования к крутящему моменту во время реальной эксплуатации.

Накопление сажи и отложений

Системы EGR и выпуска естественным образом накапливают углеродистые отложения. По мере образования отложений на валах клапанов и уплотнительных поверхностях трение увеличивается. Привод должен создавать более высокий пусковой крутящий момент просто для начала движения.

Перепад давления на клапанах

Выпускные дроссели и клапаны противодавления часто работают при высоких перепадах давления. Больший диаметр клапана увеличивает усилие, необходимое для открытия или закрытия клапана, особенно во время переходных режимов работы двигателя.

Термоциклирование

Повторяющиеся нагрев и охлаждение изменяют расширение материалов и сопротивление уплотнений. Клапан, который легко двигается в холодном состоянии, может требовать значительно большего крутящего момента при рабочей температуре.

Длительные рабочие циклы

Промышленные двигатели работают в течение длительного времени. Непрерывная работа увеличивает износ и трение, уменьшая запас крутящего момента, доступный для приводов меньшего размера.

Почему компактные электрические приводы часто выходят из строя

Многие электрические приводы, используемые в ранних конструкциях, происходят из автомобильных платформ. Эти конструкции отдают предпочтение компактности и низкому энергопотреблению, а не постоянному выходному крутящему моменту.

Общие симптомы отказа включают:

• Замедление движения клапана с течением времени по мере увеличения трения
• Остановка привода во время работы в горячем состоянии
• Ошибка положения или коды неисправностей во время переходных процессов
• Увеличение потребляемого тока, поскольку привод с трудом перемещает клапан
• Нестабильная реакция управления под нагрузкой

Эти симптомы обычно указывают на то, что привод был подобран для начальных условий эксплуатации, а не для условий в конце срока службы.

Почему требования к крутящему моменту со временем возрастают

Одна из самых распространенных ошибок проектирования - подбор привода только на основе испытаний на чистой системе. В промышленных выпускных системах требования к крутящему моменту почти всегда возрастают в течение срока службы.

Общие способствующие факторы включают:

• Накопление углерода и сажи, увеличивающее статическое трение
• Износ уплотнений, увеличивающий сопротивление
• Коррозия или окисление в подвижных соединениях
• Повышенное противодавление от стареющих компонентов выпускной системы

Во многих промышленных применениях EGR и выпускных систем пусковой крутящий момент может значительно возрасти по сравнению с первоначальными измерениями. Проектирование с запасом по крутящему моменту предотвращает проблемы с надежностью на более поздних этапах жизненного цикла.

Требования к крутящему моменту в применениях с EGR, перепускной заслонкой (wastegate) и выпускной дроссельной заслонкой

Различные функции управления выпуском предъявляют разные требования к приводу.

Управление клапаном EGR

Системы EGR требуют точного позиционирования и повторяемости, одновременно преодолевая растущее трение из-за отложений. Запас крутящего момента имеет решающее значение для долгосрочной надежности.

Управление перепускной заслонкой (wastegate) и турбиной

Эти применения требуют быстрой реакции под давлением. Привод должен двигаться быстро, сопротивляясь силам давления выпускных газов.

Выпускные дроссельные заслонки и клапаны противодавления

Эти применения часто требуют наибольшего крутящего момента из-за большего диаметра клапанов и более высоких перепадов давления. Приводы недостаточной мощности обычно выходят из строя в таких условиях.

Сравнение электрического привода BLDC с пневматическими системами

Электрические приводы BLDC все чаще заменяют пневматические решения в управлении промышленными двигателями, поскольку они обеспечивают как усилие, так и точность.

Пневматический привод

• Высокое развиваемое усилие
• Простое оборудование
• Ограниченная точность позиционирования
• Требует систем сжатого воздуха и дополнительных компонентов

Гидравлический привод

• Очень высокое выходное усилие
• Сложные требования к трубопроводам и обслуживанию
• Риск утечек в средах с высокой температурой

Электрический привод BLDC

• Замкнутое позиционирование и точность
• Быстрое время реакции
• Встроенная диагностика и обратная связь
• Снижение сложности системы при правильном подборе по крутящему моменту

Ключевым требованием для электрического привода является обеспечение достаточного запаса крутящего момента на весь срок службы системы.

Высокомоментные бесколлекторные приводы постоянного тока (BLDC) серии EH от AMOT

Серия EH разработана для обеспечения более высокого выходного крутящего момента при сохранении преимуществ электрического привода в управлении. Эти приводы предназначены для промышленных сред, где компактные приводы автомобильного типа не могут обеспечить надежность.

Доступны два основных класса крутящего момента:

Увеличивая доступный запас по крутящему моменту, производители оригинального оборудования (OEM) могут поддерживать точное позиционирование, повышать надежность системы и сокращать количество отказов, связанных с приводом, в течение всего срока службы двигателя.

Контрольный список выбора привода для производителей промышленного оборудования (OEM)

Перед выбором привода для применения EGR или выпускной системы подтвердите следующие параметры:

Требования к крутящему моменту

Определите пиковый, непрерывный и удерживающий крутящий момент. Включите запас прочности на перепады температур, отложения и старение системы.

Рабочий цикл

Поймите, как часто привод двигается под нагрузкой, и ожидаемое количество часов работы.

Требования к позиционированию

Определите требуемую точность, повторяемость и угол поворота.

Управление и диагностика

Подтвердите совместимость с шиной CAN или требуемыми протоколами связи, а также потребности в обработке неисправностей и обратной связи.

Условия окружающей среды

Проверьте уровни вибрации, рабочий диапазон температур, степень защиты от проникновения и воздействие коррозии.

Следующий шаг

Если вы сталкиваетесь с отказами приводов или разрабатываете новую систему управления промышленным двигателем, проверка кривой крутящего момента на раннем этапе разработки помогает избежать дорогостоящих переделок в дальнейшем. Инженеры по применению AMOT могут помочь оценить требования к крутящему моменту и определить, является ли привод на 25 Н·м или 125 Н·м подходящей отправной точкой для вашего прототипа или серийной разработки. Заполните форму ниже, чтобы поговорить со специалистом.