Sodobni brezkrtačni enosmerni motorji
Zahvaljujoč znatnemu napredku v polprevodniški elektroniki in tehnologiji za ustvarjanje močnih neodimovih magnetov se brezkrtačni enosmerni motorji danes pogosto uporabljajo. Uporabljajo se v pralnih strojih, sesalnikih, ventilatorjih, dronih itd.
In čeprav je bila ideja o principu delovanja brezkrtačnega motorja izražena že v začetku 19. stoletja, je čakala na krilih do začetka polprevodniške dobe, ko so tehnologije postale pripravljene za praktično izvedbo ta zanimiv in učinkovit koncept, ki je omogočil brezkrtačnim motorjem na enosmerni tok, da hodijo tako široko kot danes. …
V angleški različici se imenujejo motorji te vrste BLDC motor — brezkrtačni enosmerni motorji — brezkrtačni enosmerni motor. Rotor motorja vsebuje trajni magneti, delovna navitja pa se nahajajo na statorju, to pomeni, da je naprava BLDC motorja popolnoma nasprotna tisti, ki je v klasičnem brušenem motorju. Motor BLDC krmili elektronski krmilnik, imenovan ESC - elektronski regulator hitrosti — elektronski tempomat.
Elektronski regulator in visoka učinkovitost
Elektronski regulator omogoča nemoteno spreminjanje električne energije, ki se dovaja brezkrtačnemu motorju. Za razliko od enostavnejših različic uporovnih regulatorjev hitrosti, ki preprosto omejujejo moč s povezovanjem uporovnega bremena zaporedno z motorjem, ki pretvarja odvečno moč v toploto, elektronsko krmiljenje hitrosti zagotavlja znatno večjo učinkovitost brez zapravljanja dobavljene električne energije za nepotrebno ogrevanje. ..
Brezkrtačni enosmerni motor je mogoče razvrstiti kot samosinhronizirajoči sinhroni motor, kjer je vozlišče iskre, ki zahteva redno vzdrževanje, popolnoma izklopljeno — zbiralec… Funkcijo kolektorja prevzame elektronika, zaradi česar je celotna zasnova izdelka močno poenostavljena in kompaktnejša.
Krtače dejansko nadomeščajo elektronska stikala, pri katerih so izgube veliko manjše, kot bi bile pri mehanskem preklopu. Močni neodimski magneti na rotorju omogočajo večji navor na gredi. In tak motor se segreva manj kot njegov kolektorski predhodnik.
Posledično je izkoristek motorja najboljši, moč na kilogram teže pa višja, plus dokaj širok razpon regulacije vrtljajev rotorja in skoraj popolna odsotnost generiranih radijskih motenj. Strukturno so motorji te vrste zlahka prilagojeni za delo v vodi in v agresivnih okoljih.
Elektronska krmilna enota je zelo pomemben in drag del brezkrtačnega enosmernega motorja, vendar se je ne moremo odpovedati.Iz te naprave motor dobiva moč, katere parametri hkrati vplivajo tako na hitrost kot na moč, ki jo bo motor lahko razvil pod obremenitvijo.
Tudi če hitrosti vrtenja ni treba prilagajati, je še vedno potrebna elektronska krmilna enota, saj ne opravlja le krmilne funkcije, ampak ima tudi napajalno komponento. Lahko rečemo, da je ESC analog frekvenčni regulator za asinhronske motorje ACposebej zasnovan za napajanje in krmiljenje brezkrtačnega enosmernega motorja.
Krmiljenje motorja BLDC
Da bi razumeli, kako se krmili motor BLDC, se najprej spomnimo, kako deluje komutatorski motor. V svojem bistvu princip vrtenja okvirja s tokom v magnetnem polju.
Vsakič, ko se okvir s tokom zavrti in najde ravnotežni položaj, komutator (krtače, pritisnjene na kolektor) spremeni smer toka skozi okvir in okvir se nadaljuje. Ta postopek se ponavlja, ko se okvir premika od pola do pola. Samo v kolektorskem motorju je veliko takšnih okvirjev in več parov magnetnih polov, zato krtačni kolektor ne vsebuje dveh kontaktov, ampak veliko.
ECM naredi enako. Obrne polarnost magnetnega polja takoj, ko se mora rotor obrniti stran od ravnotežnega položaja. Samo krmilna napetost se ne dovaja na rotor, temveč na navitja statorja, in to s pomočjo polprevodniških stikal ob pravem času (faze rotorja).
Očitno je, da mora biti tok do statorskih navitij brezkrtačnega motorja doveden ob pravem času, to je, ko je rotor v določenem znanem položaju. Če želite to narediti, uporabite eno od naslednjih metod.Prvi temelji na senzorju položaja rotorja, drugi pa z merjenjem EMF ene od tuljav, ki trenutno ne prejema energije.
Senzorji so različni, magnetni in optični, najbolj priljubljeni pa so magnetni senzorji Hallov učinek… Druga metoda (temelji na merjenju EMF), čeprav učinkovita, ne omogoča natančnega nadzora pri nizkih vrtljajih in ob zagonu. Hallovi senzorji pa zagotavljajo natančnejši nadzor v vseh načinih. V trifaznih BLDC motorjih so trije takšni senzorji.
Motorji brez senzorjev položaja rotorja so uporabni v primerih, ko se motor zažene brez obremenitve gredi (ventilator, propeler itd.). Če se zagon izvede pod obremenitvijo, je potreben motor s senzorji položaja rotorja. Obe možnosti imata svoje prednosti in slabosti.
Rešitev s senzorjem se spremeni v bolj priročno krmiljenje, če pa vsaj eden od senzorjev odpove, bo treba motor razstaviti, poleg tega senzorji potrebujejo ločene žice. V različici brez senzorja niso potrebne posebne žice, vendar bo med zagonom rotor nihal naprej in nazaj. Če je to nesprejemljivo, je treba v sistem vgraditi senzorje.
Rotor in stator, število faz
Rotor motorja BLDC je lahko zunanji ali notranji, stator pa notranji ali zunanji. Stator je izdelan iz magnetno prevodnega materiala, s številom zob popolnoma deljenim s številom faz. Rotor je lahko izdelan, ne nujno iz magnetno prevodnega materiala, vendar nujno z magneti, ki so trdno pritrjeni nanj.
Močnejši kot so magneti, večji je razpoložljivi navor. Število zob statorja ne sme biti enako številu magnetov rotorja.Najmanjše število zob je enako številu kontrolnih faz.
Večina sodobnih brezkrtačnih enosmernih motorjev je trifaznih, preprosto zaradi preproste zasnove in krmiljenja. Tako kot pri indukcijskih motorjih na izmenični tok so navitja treh faz tukaj povezana s statorjem z "trikotnikom" ali "zvezdo".
Takšni motorji brez senzorjev položaja rotorja imajo 3 napajalne žice, motorji s senzorji pa 8 žic: dve dodatni žici za napajanje senzorjev in tri za signalne izhode senzorjev.
Motorji z zunanjim rotorjem z nizko hitrostjo so izdelani z velikim številom polov (in s tem zob) na fazo, da dosežejo vrtenje s kotno frekvenco, ki je bistveno nižja od frekvence krmilnega toka. Toda tudi pri hitrih trifaznih motorjih se število zob, manjše od 9, običajno ne uporablja.