Moderna borstlösa DC-motorer
Tack vare betydande framsteg inom halvledarelektronik och tekniken för att skapa kraftfulla neodymmagneter, används borstlösa likströmsmotorer i stor utsträckning idag. De används i tvättmaskiner, dammsugare, fläktar, drönare etc.
Och även om idén om principen för driften av en borstlös motor uttrycktes så tidigt som i början av 1800-talet, väntade den i kulisserna till början av halvledareran, när teknologierna blev redo för den praktiska implementeringen av detta intressanta och effektiva koncept, som gjorde att borstlösa likströmsmotorer kunde gå lika brett som de gör idag. …
I den engelska versionen kallas de motorer av denna typ BLDC-motor — Borstlösa DC-motorer — borstlös likströmsmotor. Motorrotorn innehåller permanentmagneter, och arbetslindningarna är placerade på statorn, det vill säga BLDC-motorenheten är helt motsatt vad som finns i den klassiska borstade motorn. BLDC-motorn styrs av en elektronisk styrenhet som kallas ESC — Electronic Speed Controller — elektronisk farthållare.
Elektronisk regulator och hög effektivitet
Den elektroniska regulatorn gör att den elektriska energin som tillförs den borstlösa motorn kan varieras smidigt. Till skillnad från enklare versioner av resistiva varvtalsregulatorer, som helt enkelt begränsar effekten genom att ansluta en resistiv last i serie med motorn, som omvandlar överskottseffekt till värme, ger elektronisk varvtalsreglering betydligt högre verkningsgrad utan att slösa bort den levererade elektriska energin för onödig uppvärmning. ..
Borstlös DC-motor kan klassificeras som självsynkroniserande synkronmotor, där en gnistnod som kräver regelbundet underhåll är helt avstängd — samlare… Kollektorns funktion tas över av elektroniken, vilket gör att hela designen av produkten förenklas avsevärt och blir mer kompakt.
Borstarna ersätts faktiskt av elektroniska omkopplare, vars förluster är mycket mindre än de skulle vara med mekanisk omkoppling. Kraftfulla neodymmagneter på rotorn möjliggör större vridmoment på axeln. Och en sådan motor värmer mindre än sin kollektorföregångare.
Som ett resultat är motorns effektivitet den bästa, och effekten per kilo vikt är högre, plus ett ganska brett utbud av rotorhastighetsreglering och nästan fullständig frånvaro av genererad radiostörning. Strukturellt är motorer av denna typ lätt att anpassa för att arbeta i vatten och i aggressiva miljöer.
Den elektroniska styrenheten är en mycket viktig och dyr del av en borstlös likströmsmotor, men den går inte att undvara.Från denna enhet får motorn kraft, vars parametrar samtidigt påverkar både hastigheten och kraften som motorn kommer att kunna utveckla under belastning.
Även om rotationshastigheten inte behöver justeras, behövs fortfarande en elektronisk styrenhet, eftersom den inte bara bär styrfunktionen, utan även har en strömförsörjningskomponent. Vi kan säga att ESC är en analog till frekvensregulator för asynkrona AC-motorerspeciellt designad för att driva och styra borstlös DC-motor.
BLDC motorstyrning
För att förstå hur en BLDC-motor styrs, låt oss först komma ihåg hur en kommutatormotor fungerar. I dess kärna principen för rotation av ramen med en ström i ett magnetfält.
Varje gång ramen med strömmen roterar och hittar en jämviktsposition ändrar kommutatorn (borstarna pressade mot kollektorn) strömriktningen genom ramen och ramen fortsätter. Denna process upprepas när ramen flyttas från stolpe till stolpe. Bara i kollektormotorn finns det många sådana ramar och det finns flera par magnetiska poler, varför borstsamlaren inte innehåller två kontakter, utan många.
ECM gör samma sak. Den vänder magnetfältets polaritet så snart rotorn måste vända sig bort från jämviktsläget. Endast styrspänningen tillförs inte rotorn, utan till statorlindningarna, och detta görs med hjälp av halvledaromkopplare vid rätt tidpunkt (rotorfaser).
Det är uppenbart att strömmen till statorlindningarna i en borstlös motor måste tillföras vid rätt tidpunkt, det vill säga när rotorn är i ett visst känt läge. För att göra detta, använd någon av följande metoder.Den första är baserad på rotorpositionssensorn, den andra är genom att mäta EMF för en av spolarna som för närvarande inte får ström.
Sensorerna är olika, magnetiska och optiska, de mest populära är magnetiska sensorer Halleffekt… Den andra metoden (baserad på EMF-mätning), även om den är effektiv, tillåter inte exakt styrning vid låga hastigheter och vid uppstart. Hallsensorer, å andra sidan, ger mer exakt kontroll i alla lägen. Det finns tre sådana sensorer i trefasiga BLDC-motorer.
Motorer utan rotorlägesgivare är tillämpliga i de fall motorn startar utan axelbelastning (fläkt, propeller, etc.). Om start sker under belastning krävs en motor med rotorlägesgivare. Båda alternativen har sina för- och nackdelar.
En lösning med en sensor förvandlas till en mer bekväm kontroll, men om åtminstone en av sensorerna misslyckas måste motorn demonteras, dessutom kräver sensorerna separata ledningar. I den sensorlösa versionen behövs inga speciella ledningar, men vid uppstart kommer rotorn att svänga fram och tillbaka. Om detta är oacceptabelt är det nödvändigt att installera sensorer i systemet.
Rotor och stator, antal faser
Rotorn på en BLDC-motor kan vara extern eller intern och statorn intern respektive extern. Statorn är gjord av magnetiskt ledande material, med antalet tänder helt dividerat med antalet faser. Rotorn kan vara gjord, inte nödvändigtvis av ett magnetiskt ledande material, utan nödvändigtvis med magneter som är fast fästa vid den.
Ju starkare magneter, desto större tillgängligt vridmoment. Antalet statortänder bör inte vara lika med antalet rotormagneter.Minsta antalet tänder är lika med antalet kontrollfaser.
De flesta moderna borstlösa DC-motorer är trefasiga, helt enkelt för enkel design och kontroll. Liksom i AC-induktionsmotorer är lindningarna för de tre faserna här anslutna till statorn med en "delta" eller "stjärna".
Sådana motorer utan rotorpositionssensorer har 3 strömtrådar och motorer med givare har 8 ledningar: två extra ledningar för att driva sensorerna och tre för sensorernas signalutgångar.
Låghastighets externa rotormotorer är gjorda med ett stort antal poler (och därför tänder) per fas för att erhålla rotation med en vinkelfrekvens som är betydligt mindre än styrströmmens frekvens. Men även med höghastighets trefasmotorer används vanligtvis inte antalet tänder mindre än 9.