BLDC motor

Ventilelektrisk motor (VD)  - en slags DC-elektrisk motor , där borstsamlarenheten (BKU) ersätts av en halvledaromkopplare , styrd av en rotorpositionssensor.

De mekaniska egenskaperna och kontrollegenskaperna för en borstlös motor är linjära och identiska med de mekaniska egenskaperna och kontrollegenskaperna för en elektrisk likströmsmotor. Precis som likströmsmotorer arbetar borstlösa motorer på likström. VD kan betraktas som en likströmsmotor, där borstsamlarenheten ersätts av elektronik , vilket betonas av ordet "ventil", det vill säga "styrd av strömbrytare " ( ventiler ). Fasströmmarna hos en borstlös motor har en sinusform . Som regel en autonom spänningsomriktare medpulsbreddsmodulering (PWM).

Ventilmotorn bör särskiljas från den borstlösa DC-motorn (BDC), som har en trapetsformad fördelning av magnetfältet i gapet och kännetecknas av en rektangulär form av fasspänningarna. BLDT-strukturen är enklare än VD-strukturen (det finns ingen koordinatomvandlare; istället för PWM används 120- eller 180-graders omkoppling, vars implementering är enklare än PWM).

I den ryskspråkiga litteraturen kallas motorn en ventilmotor om baksidan - EMF på den kontrollerade synkrona maskinen är sinusformad, och en borstlös DC-motor om bak-EMF är trapetsformad.

I den engelskspråkiga litteraturen betraktas sådana motorer vanligtvis inte separat från den elektriska drivningen och hänvisas till under förkortningarna PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) eller BLDC (Brushless Direct Current Motor). Värt att notera är att förkortningen PMSM i engelsk litteratur oftare används för att hänvisa till själva synkronmaskinerna med permanentmagneter och med en sinusform av phase back-EMF, medan förkortningen BLDC liknar den ryska förkortningen BDPT och syftar på motorer med trapetsform av back-EMF (om annan form inte anges).

Generellt sett är en borstlös motor inte en elektrisk maskin i traditionell mening, eftersom dess problem påverkar ett antal frågor relaterade till teorin om elektriska drivningar och automatiska styrsystem : strukturell organisation, användningen av sensorer och elektroniska komponenter, samt programvara.

BLDC-motorer, som kombinerar tillförlitligheten hos växelströmsmaskiner med den goda styrbarheten hos likströmsmaskiner, är ett alternativ till likströmsmotorer, som kännetecknas av ett antal brister förknippade med kontrollpanelen , såsom gnistor, buller, borstslitage, dålig ankar värmeavledning, etc. Frånvaron av kontrollpanelen tillåter användning av VD i de applikationer där användningen av DPT är svår eller omöjlig.

Beskrivning och funktionsprincip [1]

Motorn består av en permanentmagnet - en rotor som roterar i statorspolarnas magnetfält , genom vilken en ström passerar, kopplad av nycklar (ventiler) som styrs av en mikrokontroller . Mikrokontrollern växlar spolarna på ett sådant sätt att växelverkan mellan deras fält och rotorfältet skapar ett vridmoment i vilken position som helst.

Koordinatomvandlarens (PC) ingångar tar emot likspänning, vars verkan liknar spänningen hos ankaret på likströmsmotorn och liknar likströmsmotorns magnetiseringsspänning (analogin är giltig när man överväger den oberoende exciteringen DC-motorns krets).

Signalerna är projektioner av styrspänningsvektorn på axlarna för det roterande koordinatsystemet associerat med HP-rotorn (mer exakt, med rotorflödesvektorn). Koordinatomvandlaren omvandlar projektioner till projektioner av ett fast koordinatsystem associerat med statorn.

Som regel ställs [2] in i den elektriska drivenhetens styrsystem , medan koordinattransformationsekvationerna har formen [3] :

var  är rotorns (och det roterande koordinatsystemet) rotationsvinkel i förhållande till det fasta koordinatsystemets axel.

För att mäta det momentana värdet på vinkeln , är en rotorpositionssensor (RPS) installerad på HP-axeln.

Faktum är att i detta fall är det tilldelningen av värdet på amplituden för fasspänningarna. Och PC:n, som utför positionsmodulering av signalen , genererar övertonssignaler som effektförstärkaren (PA) omvandlar till fasspänningar.En synkronmotor som en del av en ventilmotor kallas ofta en synkron elektromekanisk omvandlare (SEMC).

Som regel växlar den elektroniska delen av HP synkronmaskinens statorfaser så att statorns magnetiska flödesvektor är ortogonal mot rotorns magnetiska flödesvektor (den så kallade vektorstyrningen ). Om ortogonaliteten hos statorn och rotorflödena observeras, bibehålls det maximala vridmomentet för HP under förhållanden med en förändring av rotationshastigheten, vilket förhindrar att rotorn faller ur synkronism och säkerställer driften av synkronmaskinen med den högsta möjlig effektivitet för det . För att bestämma rotorflödets aktuella position kan strömsensorer användas istället för rotorpositionssensorn (indirekt positionsmätning).

Den elektroniska delen av en modern VD innehåller en mikrokontroller och en transistorbrygga , och principen om pulsbreddsmodulering (PWM) används för att bilda fasströmmar . Mikrokontrollern övervakar efterlevnaden av de specificerade kontrolllagarna och utför även systemdiagnostik och dess mjukvaruskydd mot nödsituationer.

Ibland finns det ingen rotorpositionssensor, och positionen uppskattas av styrsystemet från mätningar av strömsensorer med hjälp av observatörer (den så kallade "sensorlösa" styrningen av HP). I sådana fall, på grund av borttagandet av en dyr och ofta besvärlig positionssensor, reduceras priset och vikten och dimensionerna för en elektrisk drivning med HP, men kontrollen blir mer komplicerad och noggrannheten i positions- och hastighetsbestämningen minskar.

I applikationer med medelhög till hög effekt kan elektriska filter läggas till systemet för att mildra de negativa effekterna av PWM: lindningsöverspänningar, lagerströmmar och minskad effektivitet. Detta gäller dock för alla typer av motorer.

Fördelar och nackdelar

Ventilmotorer är designade för att kombinera de bästa egenskaperna hos AC-motorer och DC-motorer. Detta avgör deras värdighet.

Fördelar:

Ventilmotorer kännetecknas också av vissa nackdelar, vars huvudsakliga är höga kostnader. Men på tal om höga kostnader bör man också ta hänsyn till att borstlösa motorer vanligtvis används i dyra system med ökade krav på noggrannhet och tillförlitlighet.

Brister:

Konstruktion

Strukturellt består moderna ventildrifter av en elektromekanisk del (synkron maskin- och rotorlägesgivare) och en styrdel (mikrokontroller och kraftbrygga).

När man hänvisar till utformningen av VD:n är det användbart att tänka på ett icke-konstruktivt element i systemet, styrprogrammet (logiken).

Synkronmaskinen som används i VD består av en laminerad (sammansatt av separata elektriskt isolerade plåtar av elektriskt stål - för att minska virvelströmmar ) stator, i vilken en flerfas (vanligtvis två- eller trefas) lindning är placerad, och en rotor (vanligtvis på permanentmagneter).

Hallsensorer används som rotorpositionssensorer i BDPT och roterande transformatorer och ackumulerande sensorer används i VD . I sk. I "sensorlösa" system bestäms positionsinformationen av styrsystemet från de momentana värdena för fasströmmarna.

Information om rotorns position bearbetas av mikroprocessorn, som enligt styrprogrammet genererar styr-PWM-signaler. Lågspännings-PWM-signalerna från mikrokontrollern omvandlas sedan av en effektförstärkare (vanligtvis en transistorbrygga) till effektspänningar som appliceras på motorn.

Kombinationen av rotorpositionssensorn och den elektroniska enheten i HP och BDPT kan jämföras med en viss grad av tillförlitlighet med borstsamlarenheten i DT. Kom dock ihåg att motorer sällan används utanför frekvensomriktaren. Således är elektronisk utrustning karakteristisk för VD nästan i samma utsträckning som för DPT.

Stator

Statorn har en traditionell design. Den består av ett hölje, en kärna av elektriskt stål och en kopparlindning som läggs i spår längs kärnans omkrets. Lindningen är uppdelad i faser, som läggs i spår på ett sådant sätt att de rymdförskjuts i förhållande till varandra med en vinkel som bestäms av antalet faser. Det är känt att två faser är tillräckliga för likformig rotation av motoraxeln i en AC-maskin. Typiskt är synkrona maskiner som används i HP trefas, men HP med fyr- och sexfaslindningar finns också.

Rotor

Beroende på rotorns placering är borstlösa motorer uppdelade i intrarotor (eng. inrunner) och extern-rotor (eng. outrunner).

Rotorn är gjord med permanentmagneter och har vanligtvis två till sexton par poler med alternerande nord- och sydpoler.

För tillverkningen av rotorn användes tidigare ferritmagneter , vilket bestämdes av deras förekomst och billighet. Sådana magneter kännetecknas emellertid av en låg nivå av magnetisk induktion. Magneter av sällsynta jordartsmetaller används för närvarande i stor utsträckning , eftersom de tillåter högre flödesnivåer och mindre rotorstorlekar.

Rotorpositionsgivare

Rotorpositionssensorn (RPS) ger feedback om rotorns position. Dess arbete kan baseras på olika principer - fotoelektrisk , induktiv, transformator , på Hall-effekten och så vidare. De mest populära är Hall-sensorer och fotoelektriska sensorer, som har låg tröghet och ger små fördröjningar i rotorpositionsåterkopplingskanalen.

Vanligtvis innehåller en fotoelektrisk sensor tre fasta fotodetektorer, mellan vilka det finns en roterande mask med risker, stelt fast på HP-rotoraxeln. Således ger DPR information om den aktuella positionen för HP-rotorn för styrsystemet.

Styrsystem

Styrsystemet innehåller en mikrokontroller som styr effektväxelriktaren enligt ett givet program. MOSFET- transistorer (VD med liten och medelstor effekt) eller IGBT (VD med medelstor och hög effekt) används vanligtvis som inverterströmbrytare , mer sällan - tyristorer .

Baserat på informationen som tas emot från DPR genererar mikrokontrollern PWM-signaler, som förstärks av växelriktaren och matas till synkronmaskinens lindning.

Applikation

På grund av deras höga tillförlitlighet och goda kontrollerbarhet används borstlösa motorer i en mängd olika applikationer, från datorfläktar och CD/DVD-enheter till robotar och rymdraketer.

VD-skivor används i stor utsträckning inom industrin, särskilt i hastighetskontrollsystem med stort räckvidd och hög hastighet för start, stopp och backning; flygteknik, fordonsteknik, biomedicinsk utrustning, hushållsapparater, etc. Denna typ av motor används också i stor utsträckning i motorer för modeller, såväl som på olika obemannade flygfarkoster , till exempel quadrocoptrar .

Se även

Länkar

Litteratur

Anteckningar

  1. ↑ Bortsov Yu. A., Sokolovsky G. G. Kapitel 8. Adaptiv-modal styrning i servosystem med beröringsfria momentmotorer // Automatiserad elektrisk drivning med elastiska anslutningar. - 2:a uppl., reviderad. och ytterligare .. - St. Petersburg. : Energoatomizdat, 1992. - 288 sid. — ISBN 5-283-04544-7 .
  2. ↑ Sokolovsky G.G. Elektriska drivenheter med växelström med frekvensreglering. - M . : "Akademin", 2006. - 272 sid. — ISBN 5-7695-2306-9 .
  3. ↑ Mikerov A.G. Kontrollerade borstlösa motorer med låg effekt: Lärobok .. - St. Petersburg. : SPbGETU, 1997. - 64 sid.
 Motorer
Elektriska motorer
Asynkron
Synkron
Övrig
se även evighetsmaskin Kuggväxelmotor gummimotor