Børshelss DC-motorstyringer

Definition

En børsteløs DC-motorstyring defineres som en selvstyrende variabel frekvensstyring, der anvender en sinusformet permanentmagnetisk alternativstrømsmotor (PMAC). Denne type styring tilbyder flere bemærkelsesværdige fordele. Praktisk talt vedligeholdelsesfri, har den en forlænget levetid, hvilket gør den til en pålidelig valgmulighed for forskellige anvendelser. Desuden har den lav roterende inertimasse, minimal friktion og fungerer med lavfrekvenskarakteristika. Yderligere genererer den minimal radiofrekvensstøj og støj, hvilket sikrer en jævn og støjfri drift. Dog er den ikke uden ulemper; de primære begrænsninger er dens relativt høje pris og lav startmoment.

Anvendelser

Børsteløse DC-motorstyringer findes i bred anvendelse over en lang række industrier og enheder. Inden for forbrugerelektronik anvendes de i pladespillere, bånddrev til optagelsesapparater og spindeldrev i computerhårddisk. De anvendes også som laveffektstyringer i computerperifereinstrumenter og styresystemer. Ud over forbrugerelektronik strækker deres anvendelser sig til luftfartindustrien, hvor pålidelighed og lav støj er afgørende. Inden for biomedicinsk felt gør deres præcision og rene drift dem egnet til forskellige mediciniske enheder. Desuden anvendes de ofte til at drev af køleventilatorer, der giver effektiv og støjfri ventilation i mange systemer.

Motorstruktur

Figuren nedenfor viser tværsnittet af en trefase, to-pol trapezformet PMAC-motor, som er en nøglekomponent i børsteløse DC-motorstyringer. Motoren har en permanentmagnetrotor med et bredt polbue, hvilket bidrager til dens effektive drift. Stator er udstyret med tre-fase vindings, hver af dem placeret 120 grader fra hinanden. Denne specifikke vindingskonfiguration sikrer en balanceret elektrisk drift og jævn momentproduktion. Hver fasevinding spænder 60 grader på hver side, der optimerer det magnetiske feltinteraktion inden for motoren og muliggør præcis kontrol over dens hastighed og ydeevne.

De spændinger, der induceres i de tre faser af motoren, er vist i figuren nedenfor. Genereringen af en trapezformet bølgeform kan tilskrives den specifikke interaktion mellem rotoren og stator. Når rotoren roterer mod uret, under de første 120 graders rotation fra en referenceposition, interagerer alle øverste ledere i fase A med sydpolen af det magnetiske felt, mens alle nederste ledere i fase A interagerer med nordpolen. 

Denne konstante magnetiske kobling inden for dette vinkelområde fører til et relativt stabil induceret spænding, der bidrager til den flade topdel af trapezformet bølgeform. Når rotoren fortsætter med at rotere, forårsager de ændrede magnetfeltorienteringer, at den inducerede spænding overgår, og endelig dannes den karakteristiske trapezformet form, der er afgørende for den korrekte drift og kontrol af børsteløse DC-motorstyringer.

Under en 120-graders rotation af rotoren forbliver den inducerede spænding i fase A relativt konstant. Når rotationen overstiger 120 grader, begynder nogle af de øverste ledere i fase A at forbinde med nordpolen, mens andre fortsætter med at interagere med sydpolen. Samme fænomen forekommer med de nederste ledere. Som resultat reverserer den inducerede spænding i fase A lineært over den efterfølgende 60-graders rotation. Dette mønster af spændingsændring spejles også i faser B og C, der skaber en koordineret elektrisk opførsel, der er afgørende for motorens drift.

Systemet for børsteløse DC-motorstyringer, som vist i figuren nedenfor, består af en spændingskilde-inverter kombineret med en trapezformet PMAC-motor. Motorens statorvindings er konfigureret i en stjerneforbindelse. Figuren viser også den karakteristiske fase-spændingsbølgeform for den trapezformet PMAC-motor, der afspejler de unikke spændings-induktion dynamik, der er beskrevet ovenfor. Denne bølgeform er en nøgleegenskab, der gør det muligt at kontrollere og drive børsteløse DC-motorstyringer effektivt, hvilket gør det muligt at producere jævn moment og præcis hastighedsregulering.

Statorvindings af børsteløse DC-motorer leveres med strømpulser. Hver puls har en varighed på 120 elektriske grader og er præcist placeret inden for området, hvor den inducerede spænding forbliver konstant og når sin maksimale værdi. Det er afgørende, at polariteten af disse strømpulser er i overensstemmelse med den inducerede spænding, hvilket sikrer en harmonisk interaktion mellem de elektriske indgange og det magnetiske felt, der genereres af motoren.

Luftgap flux inden for motoren er fastholdt på en stabil niveau, og størrelsen af den inducerede spænding er direkte proportional med rotationshastigheden af rotoren. Dette forhold er fundamentalt for motorens drift, da det gør det muligt at kontrollere motorens ydeevne præcist baseret på hastighedsafhængig induceret spænding, hvilket gør effektiv strømoverførsel og jævn drift mulig over forskellige driftsbetingelser.

Under hver 60-graders interval af drift, flyder strøm ind i en fase af motorens statorvinding og ud fra en anden. Dette alternerende strømflydemønster er en nøgleegenskab for børsteløse DC-motors drift. Som resultat kan effekten, der leveres til motoren i hver af disse 60-graders intervaller, udtrykkes ved følgende formel, der tager højde for interaktionen mellem spændingen og strømmen inden for vindingsfaserne.

Momentet, der dannes af motoren

Bølgeformen for momentet i børsteløse DC-motorstyringer er illustreret i figuren nedenfor. Størrelsen af det moment, der genereres af motoren, er direkte proportional med strømmen, der flyder igennem de DC-strømforbindelser. Dette forhold er fundamentalt for at forstå motorens dynamiske opførsel og ydeevneegenskaber.

Regenerativ bremse i dette drivsystem opnås ved at vendre fasestrømmen. Når fasestrømmen vendres, ændrer retningen af strømkilden Id sig i overensstemmelse. Dette vendre initiere en strømoverførsel, der starter fra motoren, går igennem inverteren og endelig returnerer til DC-kilden. Under denne proces virker motoren som en generator, der konverterer den mekaniske energi fra lasten til elektrisk energi, der derefter sendes tilbage til strømforsyningen. Dette hjælper ikke kun med at decelerere motoren, men tillader også genoprettelse og genanvendelse af energi, hvilket forbedrer systemets samlede effektivitet.

Når rotationshastigheden af drivsystemet vendres, vendres også polariteten af de inducerede spændinger inden for motoren. Denne ændring i spændingspolaritet udløser regenerativ bremseoperation, der gør, at drivsystemet kan konvertere den mekaniske energi fra den bevægende last til elektrisk energi, der kan sendes tilbage til strømforsyningen.

Omvendt, ved at vendre retningen af strømmen, der flyder igennem motorens vindings, initieres driftsoperationen, der driver motoren i den ønskede retning. Strømbølgeformerne, der svarer til disse forskellige driftstillstande - regenerativ bremse og drift - er tydeligt vist i figuren nedenfor, der giver en visuel repræsentation af drivsystemets elektriske opførsel under forskellige betingelser.

Typer af børsteløse DC-motorstyringer

Børsteløse DC-motorstyringer kan hovedsageligt kategoriseres i to distinkte typer: den lavpriste børsteløse DC-motorstyring og den enefase børsteløse DC-motorstyring. Hver type har sine egne unikke egenskaber og driftsprincipper, der er detaljeret nedenfor.

Lavpris børsteløs DC-motorstyring

Den lavpriste børsteløse DC-motorstyring er designet med simplicitet og lave omkostninger i tankerne. Den har en minimal konfiguration, bestående af kun tre transistorer og en tre-diode konverter. Denne opsætning begrænser drivsystemet til at kunne levere kun positiv strøm eller spænding til den tre-fase motor.

Under drift spiller den inducerede spænding og strøm en afgørende rolle både i motorens drift og bremsefunktion. Når 120-graders positive strømpulser leveres til motoren, initierer det en driftshandling, der får motoren til at rotere mod uret. Omvendt, når disse strømpulser skubbes 60 grader frem til en total på 180 grader, overgår motoren til en bremsetilstand. Denne ændring i tidsbestemmelsen af strømpulserne ændrer effektivt interaktionen mellem den elektriske indgang og motorens magnetfelt, hvilket gør det muligt at skifte fra rotationsbevægelse til en bremsemekanisme.

Lavpris børsteløs DC-motorstyring: Strømkontrolmekanisme

I den lavpriste børsteløse DC-motorstyring reguleres strømmen i fase A præcist af thyristor Tr1 og dioden D1. Når Tr1 aktiveres (slås til), er kildespændingen Vd forbundet over vindings A. Denne forbindelse får hastigheden af ændringen i strømmen IA til at blive positiv, hvilket betyder, at strømmen i fase A begynder at stige. Omvendt, når Tr1 deaktiveres (slukkes), går strømmen iA over i en frihjulsdrift gennem dioden D1. Under denne frihjulsproces bliver hastigheden af ændringen i iA negativ, og strømmen aftager gradvist.

Inden for 0-120º tidsperiode kan Tr1 slås til og fra i en alternerende måde. Denne tilsynsstrategi bruges for at få den faktiske strøm IA til at følge en rektangulær referencestrøm iA tæt, så forskellen mellem dem forbliver inden for en prædefineret hystereseband. Denne præcise kontrol hjælper med at opretholde stabil motor drift og effektiv strømoverførsel.

Enefase børsteløs DC-motorstyring

Konfigurationen af den enefase børsteløse DC-motorstyring er vist i figuren nedenfor. For analyseformål antages det, at motoren er drevet af en halvbro-enefase konverter, der leverer en rektangulær strømbølgeform til motoren, som vist i den medfølgende diagram. Denne specifikke strømbølgeform spiller en afgørende rolle for motorens ydeevneegenskaber og driftsopførsel.

Momentet, der genereres af motoren, viser betydelige fluktuationer, kendt som momentryk. Men, når motoren kører i høje hastigheder, fungerer inertien af motor-lastsystemet som en naturlig filter. Denne indbyggede inertie jævner momentvariationerne, hvilket gør, at motoren kan opretholde en relativt uniform rotationshastighed, trods tilstedeværelsen af momentryk.