BLDC motor

Ventilelektrisk motor (VD)  - en slags DC-elektrisk motor , hvor børsteopsamlerenheden (BKU) er erstattet af en halvlederkontakt , styret af en rotorpositionssensor.

De mekaniske og styreegenskaber for en børsteløs motor er lineære og identiske med de mekaniske og styreegenskaber for en DC-elektrisk motor. Ligesom jævnstrømsmotorer fungerer børsteløse motorer på jævnstrøm. VD kan betragtes som en jævnstrømsmotor, hvor børsteopsamlerenheden er erstattet af elektronik , hvilket understreges af ordet "ventil", det vil sige "styret af strømafbrydere " ( ventiler ). Fasestrømmene i en børsteløs motor har en sinusformet form. Som regel en autonom spændingsomformer medpulsbreddemodulation (PWM).

Ventilmotoren skal skelnes fra den børsteløse jævnstrømsmotor (BDC), som har en trapezformet fordeling af magnetfeltet i spalten og er karakteriseret ved en rektangulær form af fasespændingerne. BLDT-strukturen er enklere end VD-strukturen (der er ingen koordinatkonverter; i stedet for PWM bruges 120- eller 180-graders switching, hvis implementering er enklere end PWM).

I den russisksprogede litteratur kaldes motoren en ventilmotor, hvis bag - EMF af den kontrollerede synkronmaskine er sinusformet, og en børsteløs jævnstrømsmotor, hvis bag-EMF er trapezformet.

I den engelsksprogede litteratur betragtes sådanne motorer normalt ikke adskilt fra det elektriske drev og omtales under forkortelserne PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) eller BLDC (Brushless Direct Current Motor). Det er værd at bemærke, at forkortelsen PMSM i engelsk litteratur oftere bruges til at referere til selve synkronmaskinerne med permanente magneter og med en sinusformet form af fase tilbage-EMF, mens forkortelsen BLDC ligner den russiske forkortelse BDPT og henviser til. motorer med en trapezformet form af back-EMF (hvis anden form ikke er specificeret).

Generelt set er en børsteløs motor ikke en elektrisk maskine i traditionel forstand, da dens problemer påvirker en række spørgsmål relateret til teorien om elektriske drev og automatiske styresystemer : strukturel organisation, brugen af ​​sensorer og elektroniske komponenter, samt software.

BLDC-motorer, som kombinerer AC-maskinernes pålidelighed med DC-maskinernes gode styrbarhed, er et alternativ til DC-motorer, som er kendetegnet ved en række mangler forbundet med kontrolpanelet , såsom gnistdannelse, støj, børsteslid, dårlig armatur varmeafledning osv. Fraværet af kontrolpanelet tillader brug af VD i de applikationer, hvor brugen af ​​DPT er vanskelig eller umulig.

Beskrivelse og funktionsprincip [1]

Motoren består af en permanent magnet - en rotor , der roterer i statorspolernes magnetfelt , hvorigennem en strøm passerer, skiftet af nøgler (ventiler) styret af en mikrocontroller . Mikrocontrolleren skifter spolerne på en sådan måde, at samspillet mellem deres felt og rotorfeltet skaber et drejningsmoment i enhver position.

Indgangene på koordinatkonverteren (PC) modtager jævnspænding, hvis handling svarer til spændingen af ​​ankeret på DC-motoren og ligner excitationsspændingen på DC-motoren (analogien er gyldig, når man overvejer den uafhængige excitation DC-motorens kredsløb).

Signalerne er projektioner af styrespændingsvektoren på akserne af det roterende koordinatsystem forbundet med HP-rotoren (mere præcist med rotorfluxvektoren). Koordinatkonverteren konverterer projektioner til projektioner af et fast koordinatsystem tilknyttet statoren.

Som regel indstilles [2] i styresystemerne for det elektriske drev , mens koordinattransformationsligningerne har formen [3] :

For at måle den øjeblikkelige værdi af vinklen er en rotorpositionssensor (RPS) installeret på HP-akslen.

Faktisk er det i dette tilfælde tildelingen af ​​værdien af ​​amplituden af ​​fasespændingerne. Og pc'en, der udfører positionsmodulation af signalet , genererer harmoniske signaler , som effektforstærkeren (PA) konverterer til fasespændinger. En synkronmotor som en del af en ventilmotor kaldes ofte en synkron elektromekanisk konverter (SEMC).

Som regel skifter den elektroniske del af HP synkronmaskinens statorfaser, så statormagnetiske fluxvektor er ortogonal på rotormagnetisk fluxvektor (den såkaldte vektorstyring ). Hvis ortogonaliteten af ​​statoren og rotorstrømmene observeres, opretholdes det maksimale drejningsmoment for HP under betingelser med en ændring i rotationshastigheden, hvilket forhindrer rotoren i at falde ud af synkronisme og sikrer driften af ​​synkronmaskinen med den højeste mulig effektivitet for det . For at bestemme den aktuelle position af rotorfluxen kan der bruges strømsensorer i stedet for rotorpositionssensoren (indirekte positionsmåling).

Den elektroniske del af en moderne VD indeholder en mikrocontroller og en transistorbro , og princippet om pulsbreddemodulation (PWM) bruges til at danne fasestrømme . Mikrocontrolleren overvåger overholdelse af de specificerede kontrollove og udfører også systemdiagnostik og softwarebeskyttelse mod nødsituationer.

Nogle gange er der ingen rotorpositionssensor, og positionen estimeres af styresystemet ud fra målinger af strømsensorer ved hjælp af observatører (den såkaldte "sensorløse" kontrol af HP). I sådanne tilfælde, på grund af fjernelse af en dyr og ofte besværlig positionssensor, reduceres prisen og vægten og dimensionerne på et elektrisk drev med HP, men styringen bliver mere kompliceret, og nøjagtigheden af ​​positions- og hastighedsbestemmelsen falder.

I applikationer med middel til høj effekt kan elektriske filtre føjes til systemet for at afbøde de negative virkninger af PWM: viklingsspændinger, lejestrømme og reduceret effektivitet. Dette gælder dog for alle typer motorer.

Fordele og ulemper

Ventilmotorer er designet til at kombinere de bedste kvaliteter af AC-motorer og DC-motorer. Dette bestemmer deres værdighed.

Fordele:

• Bredt hastighedsområde
• Berøringsfri og fravær af noder, der kræver hyppig vedligeholdelse (opsamler)
• Kan bruges i eksplosive og aggressive miljøer
• Stor momentkapacitet
• Høj energiydelse ( effektivitet over 90%)
• Lang levetid og høj pålidelighed på grund af fraværet af glidende elektriske kontakter .

Ventilmotorer er også kendetegnet ved nogle ulemper, hvoraf de vigtigste er høje omkostninger. Men når vi taler om høje omkostninger, bør man også tage højde for det faktum, at børsteløse motorer normalt bruges i dyre systemer med øgede krav til nøjagtighed og pålidelighed.

Fejl:

• De høje omkostninger ved motoren på grund af den hyppige brug af dyre permanente magneter i rotorens design. Omkostningerne ved et elektrisk drev med HP er dog sammenlignelige med omkostningerne ved et lignende drev baseret på en DCT med uafhængig excitation (kontrolegenskaberne for en sådan motor og HP er sammenlignelige). Generelt kan en rotor med elektromagnetisk excitation også bruges i en børsteløs motor, men dette er forbundet med en række praktiske ulemper. I nogle tilfælde er det at foretrække at bruge en asynkronmotor med en frekvensomformer .
• Relativ kompleks motorstruktur og kontrol.

Konstruktion

Strukturelt består moderne ventildrev af en elektromekanisk del (synkron maskin- og rotorpositionssensor) og en kontroldel (mikrocontroller og kraftbro).

Når der henvises til VD'ens design, er det nyttigt at huske på et ikke-konstruktivt element i systemet, styreprogrammet (logikken).

Den synkrone maskine, der anvendes i VD, består af en lamineret (samlet af separate elektrisk isolerede plader af elektrisk stål - for at reducere hvirvelstrømme ) stator, hvori en flerfaset (normalt to- eller trefaset) vikling er placeret, og en rotor (normalt på permanente magneter).

Hall-sensorer bruges som rotorpositionssensorer i BDPT , og roterende transformere og akkumuleringssensorer bruges i VD . I såkaldte. I "sensorløse" systemer bestemmes positionsinformationen af ​​styresystemet ud fra de øjeblikkelige værdier af fasestrømmene.

Information om rotorens position behandles af mikroprocessoren, som ifølge styreprogrammet genererer styre-PWM-signaler. Lavspændings-PWM-signalerne fra mikrocontrolleren konverteres derefter af en effektforstærker (normalt en transistorbro) til strømspændinger, der påføres motoren.

Kombinationen af ​​rotorpositionssensoren og den elektroniske samling i HP og BDPT kan sammenlignes med en vis grad af pålidelighed med børsteopsamlerenheden i DT. Husk dog, at motorer sjældent bruges uden for drevet. Elektronisk udstyr er således karakteristisk for VD næsten i samme omfang som for DPT.

Stator

Statoren har et traditionelt design. Den består af et hus, en kerne lavet af elektrisk stål og en kobbervikling lagt i riller langs omkredsen af ​​kernen. Viklingen er opdelt i faser, som er lagt i riller på en sådan måde, at de er rumligt forskudt i forhold til hinanden med en vinkel bestemt af antallet af faser. Det er kendt, at to faser er tilstrækkelige til ensartet rotation af motorakslen på en AC-maskine. Typisk er synkronmaskiner, der anvendes i HP, trefasede, men HP'er med fire- og seksfasede viklinger findes også.

Rotor

I henhold til rotorens placering er børsteløse motorer opdelt i intra-rotor (eng. inrunner) og ekstern-rotor (eng. outrunner).

Rotoren er lavet ved hjælp af permanente magneter og har normalt to til seksten par poler med skiftende nord- og sydpoler.

Til fremstilling af rotoren blev der tidligere brugt ferritmagneter , hvilket blev bestemt af deres udbredelse og billighed. Sådanne magneter er imidlertid karakteriseret ved et lavt niveau af magnetisk induktion. Magneter af sjældne jordarters legeringer bruges i øjeblikket i vid udstrækning , da de tillader højere fluxniveauer og mindre rotorstørrelser.

Rotorpositionssensor

Rotorpositionssensoren (RPS) giver feedback om rotorens position. Dets arbejde kan være baseret på forskellige principper - fotoelektrisk , induktiv, transformer , på Hall-effekten og så videre. De mest populære er Hall-sensorer og fotoelektriske sensorer, som har lav inerti og giver små forsinkelser i rotorpositionsfeedback-kanalen.

Typisk indeholder en fotoelektrisk sensor tre faste fotodetektorer, mellem hvilke der er en roterende maske med risici, stift fastgjort på HP-rotorakslen. DPR giver således information om den aktuelle position af HP-rotoren til styresystemet.

Kontrolsystem

Styresystemet indeholder en mikrocontroller , der styrer power inverteren i henhold til et givet program. MOSFET -transistorer (VD af lille og medium effekt) eller IGBT (VD af medium og høj effekt) bruges normalt som inverter-strømafbrydere , sjældnere - tyristorer .

Baseret på informationen modtaget fra DPR genererer mikrocontrolleren PWM-signaler, som forstærkes af inverteren og føres til synkronmaskinens vikling.

Ansøgning

På grund af deres høje pålidelighed og gode kontrollerbarhed bruges børsteløse motorer i en lang række applikationer, fra computerblæsere og cd/dvd-drev til robotter og rumraketter.

VD'er er meget udbredt i industrien, især i hastighedskontrolsystemer med en stor rækkevidde og en høj hastighed af start, stop og bakning; luftfartsteknologi, bilteknik, biomedicinsk udstyr, husholdningsapparater osv. Også denne type motor er meget udbredt i motordrevne modeller, såvel som på forskellige ubemandede luftfartøjer , for eksempel quadrocoptere .

Se også

• DC motor
• Universal kommutatormotor
• Ventil reluktansmotor
• stepmotor
• mendocino motor

Links

• Børsteløse DC-motorer. Hvad er det?
• Om en børsteløs motor og brugen af ​​en stepmotor som børsteløs motor.
• AVR440: Sensorløs 2-faset børsteløs DC-motorstyring. // gaw.ru

Litteratur

• Gerasimov V. G., Kuznetsov E. V., Nikolaeva O. V. Elektroteknik og elektronik. Bestil. 2. Elektromagnetiske enheder og elektriske maskiner. — M .: Energoatomizdat, 1997. — 288 s. — ISBN 5-283-05005-X .

Noter

1. ↑ Bortsov Yu. A., Sokolovsky G. G. Kapitel 8. Adaptiv-modal kontrol i servosystemer med berøringsfri drejningsmomentmotorer // Automatiseret elektrisk drev med elastiske forbindelser. - 2. udg., revideret. og yderligere .. - St. Petersborg. : Energoatomizdat, 1992. - 288 s. — ISBN 5-283-04544-7 .
2. ↑ Sokolovsky G.G. Elektriske drev med vekselstrøm med frekvensregulering. - M . : "Academy", 2006. - 272 s. — ISBN 5-7695-2306-9 .
3. ↑ Mikerov A.G. Styrede børsteløse motorer med lav effekt: Lærebog .. - St. Petersborg. : SPbGETU, 1997. - 64 s.