Moderne børsteløse DC-motorer
Takket være betydelige fremskridt inden for halvlederelektronik og teknologien til at skabe kraftige neodymmagneter, er børsteløse jævnstrømsmotorer meget udbredt i dag. De bruges i vaskemaskiner, støvsugere, ventilatorer, droner mv.
Og selvom ideen om princippet om drift af en børsteløs motor blev udtrykt så tidligt som i begyndelsen af det 19. århundrede, ventede den i vingerne indtil begyndelsen af halvleder-æraen, hvor teknologierne blev klar til den praktiske implementering af dette interessante og effektive koncept, som gjorde det muligt for børsteløse jævnstrømsmotorer at gå så bredt, som de gør i dag. …
I den engelske version kaldes de motorer af denne type BLDC-motor — børsteløse jævnstrømsmotorer — børsteløs jævnstrømsmotor. Motorrotoren indeholder permanente magneter, og arbejdsviklingerne er placeret på statoren, det vil sige, at BLDC-motorenheden er helt modsat, hvad der er i den klassiske børstede motor. BLDC-motoren styres af en elektronisk controller kaldet ESC — Electronic Speed Controller — elektronisk fartpilot.
Elektronisk regulator og høj effektivitet
Den elektroniske regulator gør det muligt at variere den elektriske energi, der leveres til den børsteløse motor. I modsætning til simplere versioner af resistive hastighedsregulatorer, som blot begrænser effekten ved at forbinde en resistiv belastning i serie med motoren, som omdanner overskydende effekt til varme, giver elektronisk hastighedsregulering en væsentlig højere effektivitet uden at spilde den leverede elektriske energi til unødvendig opvarmning. ..
Børsteløs DC-motor kan klassificeres som selvsynkroniserende synkronmotor, hvor en gnistknude, der kræver regelmæssig vedligeholdelse, er helt slukket — samler… Opsamlerens funktion overtages af elektronikken, hvorved hele produktets design forenkles betydeligt og bliver mere kompakt.
Børsterne er faktisk erstattet af elektroniske kontakter, hvor tabene er meget mindre, end de ville være med mekanisk kobling. Kraftige neodymmagneter på rotoren giver mulighed for større drejningsmoment på akslen. Og sådan en motor varmer mindre op end sin samlerforgænger.
Som et resultat er motorens effektivitet den bedste, og kraften pr. kg vægt er højere, plus et ret bredt udvalg af rotorhastighedsregulering og næsten fuldstændig fravær af genereret radiointerferens. Strukturelt er motorer af denne type let tilpassede til at arbejde i vand og i aggressive miljøer.
Den elektroniske styreenhed er en meget vigtig og dyr del af en børsteløs jævnstrømsmotor, men den kan ikke undværes.Fra denne enhed modtager motoren strøm, hvis parametre samtidig påvirker både hastigheden og den effekt, som motoren vil være i stand til at udvikle under belastning.
Selvom omdrejningshastigheden ikke skal justeres, er der stadig behov for en elektronisk styreenhed, fordi den ikke kun bærer styrefunktionen, men også har en strømforsyningskomponent. Vi kan sige, at ESC er en analog af frekvensregulator til asynkrone AC-motorerspecielt designet til at drive og styre børsteløs jævnstrømsmotor.
BLDC motorstyring
For at forstå, hvordan en BLDC-motor styres, lad os først huske, hvordan en kommutatormotor fungerer. I sin kerne princippet om rotation af rammen med en strøm i et magnetfelt.
Hver gang rammen med strømmen roterer og finder en ligevægtsposition, ændrer kommutatoren (børsterne presset mod solfangeren) strømmens retning gennem rammen, og rammen fortsætter. Denne proces gentages, når rammen bevæger sig fra stang til stang. Kun i solfangermotoren er der mange sådanne rammer, og der er flere par magnetiske poler, hvorfor børsteopsamleren ikke indeholder to kontakter, men mange.
ECM gør det samme. Det vender magnetfeltets polaritet, så snart rotoren skal dreje væk fra ligevægtspositionen. Kun styrespændingen leveres ikke til rotoren, men til statorviklingerne, og det sker ved hjælp af halvlederkontakter på det rigtige tidspunkt (rotorfaser).
Det er indlysende, at strømmen til statorviklingerne i en børsteløs motor skal tilføres på det rigtige tidspunkt, det vil sige når rotoren er i en bestemt kendt position. For at gøre dette skal du bruge en af følgende metoder.Den første er baseret på rotorpositionssensoren, den anden er ved at måle EMF for en af spolerne, der i øjeblikket ikke modtager strøm.
Sensorerne er forskellige, magnetiske og optiske, de mest populære er magnetiske sensorer Hall effekt… Den anden metode (baseret på EMF-måling), selvom den er effektiv, tillader ikke præcis kontrol ved lave hastigheder og ved opstart. Hall-sensorer giver på den anden side mere præcis kontrol i alle tilstande. Der er tre sådanne sensorer i trefasede BLDC-motorer.
Motorer uden rotorpositionssensorer er anvendelige i tilfælde, hvor motoren starter uden akselbelastning (blæser, propel osv.). Hvis start sker under belastning, kræves en motor med rotorpositionssensorer. Begge muligheder har deres fordele og ulemper.
En løsning med en sensor bliver til en mere bekvem kontrol, men hvis mindst en af sensorerne svigter, skal motoren skilles ad, desuden kræver sensorerne separate ledninger. I den sensorløse version er der ikke behov for specielle ledninger, men under opstart vil rotoren svinge frem og tilbage. Hvis dette er uacceptabelt, er det nødvendigt at installere sensorer i systemet.
Rotor og stator, antal faser
Rotoren på en BLDC-motor kan være henholdsvis ekstern eller intern og statoren intern eller ekstern. Statoren er lavet af magnetisk ledende materiale, hvor antallet af tænder er divideret med antallet af faser. Rotoren kan være lavet, ikke nødvendigvis af et magnetisk ledende materiale, men nødvendigvis med magneter, der er solidt fastgjort til den.
Jo stærkere magneterne er, jo større er det tilgængelige drejningsmoment. Antallet af statortænder bør ikke være lig med antallet af rotormagneter.Minimumsantallet af tænder er lig med antallet af kontrolfaser.
De fleste moderne børsteløse DC-motorer er trefasede, simpelthen for enkelhed i design og kontrol. Som i AC-induktionsmotorer er viklingerne af de tre faser her forbundet med statoren med en "delta" eller "stjerne".
Sådanne motorer uden rotorpositionssensorer har 3 strømledninger, og motorer med sensorer har 8 ledninger: to ekstra ledninger til strømforsyning af sensorerne og tre til sensorernes signaludgange.
Lavhastigheds eksterne rotormotorer er lavet med et stort antal poler (og derfor tænder) pr. fase for at opnå rotation med en vinkelfrekvens, der er væsentligt mindre end frekvensen af styrestrømmen. Men selv med højhastigheds trefasede motorer bruges antallet af tænder mindre end 9 normalt ikke.