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微型电机用于各种用途,如控制 HVAC 系统中的风门。风门是调节管道内空气流动的简单机制。手 动风门通过管道外部的一个手柄转动,自动风门则通过温控器或楼宇自动化系统控制的电动或 气动电机来不断调节气流。在设计外部安装电气风门执行器时,应考虑一些主要的微型电机设 计要素。
电气风门旋转执行器分为三种不同的类型:
1. | 弹簧回位。在弹簧的帮助下,风门可以恢复到所需的位置(关闭/ 打开) |
2. | 非弹簧回位。断电时将保持现有位置 |
3. | 电子故障保护。使用超级电容将存储的能量释放到电机,执行器在断 电时受驱动打开或关闭。(图 1) |
我们可以进一步将风门执行器分为双位置或调制类别,实现更精确的控制。 如果风门操作是季节性的(一年两次或三次),则双位置手动控制是正确的 选择。如果需要更频繁地操作(例如每天),则带电动机的自动电气风门是 更好的选择。
在为电动执行器决定微型运动解决方案时,首先查看电机是否可根据需要定制,例如:
• | 电机/ 直线执行器必须提供多少转矩/ 力才能以所需的控制精度将风门保持在位 |
• | 电机能否承受各种温度 |
• | 如果电机组件能够定制以承受 HVAC 循环 |
• | 电机能否在 HVAC 环境中可靠地工作? |
• | 电机是否提供反馈以实现集成风门位置反馈? |
用于极端温度和循环载荷的转子设计
对于 HVAC 应用中专用于风门执行器的定制电机, 转子的设计至关重要。在风门执行器中,电机将 在不同的热条件下启动和停止,这将对转子和其 他内部部件施加额外的热机械应力。转子设计中 使用的非线性材料的力学性能与温度有关。因此, 转子在高温或低于室温的温度条件下的可靠性取 决于材料及其热性能,特别是热膨胀系数 (CTE)。(图 2)
基于线性和非线性材料的组件的选择具有挑战 性;非线性材料(例如粘合剂)的性能在很大程 度上依赖于材料的化学和工艺参数。选择具体的陶瓷 磁铁级很复杂。(图 3)
另一个需要考虑的重要方面是设计验证,在现场确认性能是否合适。可以在静态环境条件下验证设计, 如温度、湿度和特定载荷条件。设计中选择的材料方案已经考虑到了这些因素。但是,它们在动态条件 (快速温度、湿度或突然载荷变化或多个参数的组合)下的性能需要通过模拟或分析测试确定电机随时 间推移的性能。例如,在 Portescap,我们在环境试验炉和烤箱的加速温度和热冲击条件下验证转子组件, 以确保转子组件满足应用的极端需求。我们还通过轴向力和扭转力测试,确定了转子在特定温度下的机 械强度。电机在特定温度条件下的应用中的使用寿命,可以通过加速生命周期试验来更好地预测。根据 应用的需求,在加载和卸载条件下执行测试。
通过合格性测试的设计验证
图 4 - 步进电机的加速热循环
无刷直流电机
步进电机是选择用于电动风门的一个好技术,比无刷直流电机更实惠,并且不需要后者在典型风门应用中的出色变速功能。
结论
选择最优步进电机对于有效控制风门驱动中的气流至关重要,这就是为什么要使用步进电机多种配置的原因。我们多次通过定制步进电机来满足这种需求,由于性价比的因素,使其成为 HVAC 执行器市场的正确选择。
所设计的电机的可靠性也至关重要,因为现场频繁出现故障会增加成本,责任也更大。更好地了解 HVAC 应用的工作要点有助于解决设计和验证阶段的重大需求。