Lichtbogenlose Gleichstrommotoren-Antriebe

Definition

Ein Brushless-DC-Motorantrieb wird definiert als ein selbstregulierter Frequenzumrichter, der einen sinusförmigen Permanentmagneterregungs-Wechselstrommotor (PMAC) verwendet. Dieser Antriebstyp bietet mehrere bemerkenswerte Vorteile. Er ist praktisch wartungsfrei und verfügt über eine lange Lebensdauer, was ihn zu einer zuverlässigen Wahl für verschiedene Anwendungen macht. Darüber hinaus zeichnet er sich durch geringes Rotationsmoment, minimale Reibung und Betrieb mit niedrigen Frequenzeigenschaften aus. Zudem erzeugt er minimale Störungen im Radiofrequenzbereich und Geräusche, wodurch ein reibungsloser und leiser Betrieb gewährleistet wird. Allerdings hat er auch Nachteile; die Hauptlimitierungen sind sein relativ hoher Preis und das geringe Startmoment.

Anwendungen

Brushless-DC-Motorantriebe finden in einer Vielzahl von Branchen und Geräten breite Anwendung. Im Bereich der Verbraucherelektronik werden sie in Plattenspielern, Bandantrieben für Aufnahmegeräte und Spindelantrieben in Festplattencomputern eingesetzt. Sie dienen auch als Niedrigleistungsantriebe in Peripherieinstrumenten und Steuerungssystemen von Computern. Über die Verbraucherelektronik hinaus finden ihre Anwendungen im Luft- und Raumfahrtsektor Verwendung, wo Zuverlässigkeit und leise Betriebsweise entscheidend sind. Im Biomedizinischen Bereich machen ihre Präzision und saubere Funktion sie für verschiedene medizinische Geräte geeignet. Darüber hinaus werden sie häufig zur Ansteuerung von Kühlgebläsen eingesetzt, um effiziente und leise Lüftung in zahlreichen Systemen zu ermöglichen.

Motorstruktur

Die folgende Abbildung zeigt den Querschnitt eines dreiphasigen, zweipoligen trapezförmigen PMAC-Motors, der ein wesentlicher Bestandteil des Brushless-DC-Motorantriebs ist. Der Motor verfügt über einen Permanentmagnetenrotor mit einem breiten Polbogen, was zu seinem effizienten Betrieb beiträgt. Der Stator ist mit drei Polspulen ausgestattet, die jeweils um 120 Grad voneinander versetzt sind. Diese spezifische Wicklungskonfiguration sorgt für ein ausgewogenes elektrisches Verhalten und eine gleichmäßige Drehmomentproduktion. Jede Phasenspule erstreckt sich auf beiden Seiten um 60 Grad, was die magnetische Feldwechselwirkung innerhalb des Motors optimiert und eine präzise Kontrolle über seine Geschwindigkeit und Leistung ermöglicht.

Die in den drei Phasen des Motors induzierten Spannungen sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Erzeugung eines trapezförmigen Wellenform kann auf die spezifische Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator zurückgeführt werden. Wenn der Rotor gegen den Uhrzeigersinn rotiert, interagieren während der ersten 120-Grad-Rotation ab einer Bezugsposition alle oberen Leiter von Phase A mit dem Südpol des Magnetfelds, während alle unteren Leiter von Phase A mit dem Nordpol interagieren.

Diese konstante magnetische Kopplung innerhalb dieses Winkelbereichs führt zu einer relativ stabilen induzierten Spannung, die zum flachen oberen Teil der trapezförmigen Wellenform beiträgt. Während der Rotor weiter rotiert, bewirken die sich ändernden magnetischen Feldorientierungen, dass die induzierte Spannung übergeht, letztendlich die charakteristische trapezförmige Form bildet, die für den ordnungsgemäßen Betrieb und die Kontrolle des Brushless-DC-Motorantriebs unerlässlich ist.

Während einer 120-Grad-Rotation des Rotors bleibt die in Phase A induzierte Spannung relativ konstant. Sobald die Rotation 120 Grad überschreitet, beginnen einige der oberen Leiter von Phase A, mit dem Nordpol zu interagieren, während andere weiterhin mit dem Südpol interagieren. Das gleiche Phänomen tritt bei den unteren Leitern auf. Als Ergebnis kehrt sich die in Phase A induzierte Spannung während der nachfolgenden 60-Grad-Rotation linear um. Dieses Muster der Spannungsänderung spiegelt sich auch in den Phasen B und C wider, was ein koordiniertes elektrisches Verhalten ergibt, das für den Betrieb des Motors unerlässlich ist.

Das Brushless-DC-Motorantriebssystem, wie in der folgenden Abbildung dargestellt, besteht aus einem Spannungsquellen-Umrichter, der mit einem trapezförmigen PMAC-Motor gekoppelt ist. Die Statorspulen des Motors sind in Sternschaltung konfiguriert. Die Abbildung zeigt auch die charakteristische Phasenspannungs-Wellenform des trapezförmigen PMAC-Motors, die die einzigartigen Spannungs-Induktionsdynamiken widerspiegelt, die oben beschrieben wurden. Diese Wellenform ist ein Schlüsselmerkmal, das die effiziente Kontrolle und den Betrieb des Brushless-DC-Motorantriebs ermöglicht, indem es eine glatte Drehmomentproduktion und präzise Geschwindigkeitsregelung fördert.

Die Statorspulen des Brushless-DC-Motors werden mit Stromimpulsen versorgt. Jeder Impuls hat eine Dauer von 120 elektrischen Grad und ist präzise in dem Bereich positioniert, in dem die induzierte Spannung konstant bleibt und ihren maximalen Wert erreicht. Entscheidend ist, dass die Polarität dieser Stromimpulse mit der der induzierten Spannung übereinstimmt, wodurch eine harmonische Wechselwirkung zwischen den elektrischen Eingängen und dem vom Motor erzeugten magnetischen Feld gewährleistet wird.

Der Luftspaltfluss innerhalb des Motors wird auf einem konstanten Niveau gehalten, und die Größe der induzierten Spannung ist direkt proportional zur Rotationsgeschwindigkeit des Rotors. Diese Beziehung ist grundlegend für den Betrieb des Motors, da sie eine genaue Kontrolle der Motordurchführung basierend auf der geschwindigkeitsabhängigen induzierten Spannung ermöglicht, was eine effiziente Energieübertragung und einen reibungslosen Betrieb unter verschiedenen Betriebsbedingungen ermöglicht.

Während jedes 60-Grad-Intervalls des Betriebs fließt der Strom in eine Phase der Statorspulen des Motors und verlässt eine andere. Dieses alternierende Stromflussmuster ist ein wesentlicher Charakteristik des Betriebs des Brushless-DC-Motors. Daher kann die dem Motor in jedem dieser 60-Grad-Intervalle zugeführte Leistung durch die folgende Formel ausgedrückt werden, die die Wechselwirkung zwischen Spannung und Strom innerhalb der Wicklungsphasen berücksichtigt.

Das vom Motor entwickelte Drehmoment

Die Drehmoment-Wellenform des Brushless-DC-Motorantriebs ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Größe des vom Motor erzeugten Drehmoments ist direkt proportional zum durch die Gleichstromleitungen fließenden Strom. Diese Beziehung ist grundlegend für das Verständnis des dynamischen Verhaltens und der Leistungseigenschaften des Motors.

Regenerativer Bremsvorgang in diesem Antriebssystem wird durch die Umkehrung des Phasenstroms erreicht. Wenn der Phasenstrom umgekehrt wird, ändert sich auch die Richtung der Stromquelle Id entsprechend. Diese Umkehrung initiiert einen Energiefluss, der vom Motor ausgeht, durch den Umrichter geht und schließlich zur Gleichstromquelle zurückkehrt. Während dieses Prozesses wirkt der Motor als Generator, der die mechanische Energie der Last in elektrische Energie umwandelt, die dann in die Stromversorgung zurückgespeist wird. Dies hilft nicht nur beim Abbremsen des Motors, sondern ermöglicht auch die Wiedergewinnung und Wiederverwendung von Energie, wodurch die Gesamteffizienz des Systems verbessert wird.

Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Antriebssystems umgekehrt wird, kippt auch die Polarität der im Motor induzierten Spannungen. Diese Änderung der Spannungspolarität löst den regenerativen Bremsvorgang aus, wodurch der Antrieb die mechanische Energie der bewegten Last in elektrische Energie umwandeln und in die Stromversorgung zurückspeisen kann.

Umgekehrt führt die Umkehrung der Stromrichtung durch die Spulen des Motors den Betrieb des Motors in die gewünschte Richtung. Die Stromwellenformen, die diesen unterschiedlichen Betriebsmodi – regenerativer Bremsvorgang und Motorenbetrieb – entsprechen, sind in der folgenden Abbildung klar dargestellt, was eine visuelle Darstellung des elektrischen Verhaltens des Antriebssystems unter verschiedenen Bedingungen bietet.

Arten von Brushless-DC-Motorantrieben

Der Brushless-DC-Motorantrieb kann hauptsächlich in zwei verschiedene Arten unterteilt werden: den kostengünstigen Brushless-DC-Motorantrieb und den Einphasen-Brushless-DC-Motorantrieb. Jede Art hat ihre eigenen einzigartigen Merkmale und Funktionsprinzipien, die unten detailliert beschrieben werden.

Kostengünstiger Brushless-DC-Motorantrieb

Der kostengünstige Brushless-DC-Motorantrieb ist mit Blick auf Einfachheit und Kosteneffizienz konzipiert. Er verfügt über eine minimalistische Konfiguration, bestehend aus lediglich drei Transistoren und einem Dreidioden-Umrichter. Diese Anordnung beschränkt den Antrieb darauf, nur positiven Strom oder Spannung an den Drehstrommotor zu liefern.

Während des Betriebs spielen die induzierte Spannung und der Strom eine entscheidende Rolle sowohl für den Motorenbetrieb als auch für die Bremsfunktion des Motors. Wenn 120-Grad-positive Stromimpulse an den Motor geliefert werden, startet der Motor einen Motorenbetrieb, wodurch der Motor gegen den Uhrzeigersinn rotiert. Umgekehrt, wenn diese Stromimpulse um 60 Grad auf insgesamt 180 Grad verschoben werden, wechselt der Motor in einen Bremszustand. Diese Änderung in der Zeitsteuerung der Stromimpulse ändert effektiv die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Eingang und dem magnetischen Feld des Motors, was den Übergang von der Rotationsbewegung zu einer Bremsmechanik ermöglicht.

Kostengünstiger Brushless-DC-Motorantrieb: Stromregelmechanismus

Im kostengünstigen Brushless-DC-Motorantrieb wird der Strom der Phase A präzise durch den Thyristor Tr1 und die Diode D1 reguliert. Wenn Tr1 aktiviert (eingeschaltet) wird, wird die Quellspannung Vd über die Wicklung A angeschlossen. Diese Verbindung bewirkt, dass die Änderungsrate des Stroms IA positiv wird, was bedeutet, dass der Strom in Phase A anfängt zu steigen. Umgekehrt, wenn Tr1 deaktiviert (ausgeschaltet) wird, fällt der Strom iA in den Freilaufzustand durch die Diode D1. Während dieses Freilaufs wird die Änderungsrate von iA negativ, und der Strom nimmt allmählich ab.

Innerhalb des 0-120°-Zeitraums kann Tr1 in abwechselnden Intervallen eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Diese Schaltstrategie wird angewendet, um den tatsächlichen Strom IA eng an einen rechteckigen Referenzstrom iA anzupassen, wodurch sichergestellt wird, dass der Unterschied zwischen ihnen innerhalb eines vordefinierten Hysteresebereichs bleibt. Diese präzise Regelung hilft dabei, den stabilen Motorenbetrieb und die effiziente Energieübertragung aufrechtzuerhalten.

Einphasen-Brushless-DC-Motorantrieb

Die Konfiguration des Einphasen-Brushless-DC-Motorantriebs ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Für die Analyse wird angenommen, dass der Motor von einem Halbbrücken-Einphasen-Umrichter gespeist wird, der dem Motor ein rechteckiges Stromwellenbild liefert, wie in der beiliegenden Abbildung dargestellt. Dieses spezifische Stromwellenbild spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Leistungseigenschaften und des Betriebsverhaltens des Motors.

Das vom Motor erzeugte Drehmoment weist signifikante Fluktuationen auf, die als Drehmomentrippel bekannt sind. Allerdings wirkt sich bei hohen Geschwindigkeiten das Trägheitsmoment des Motor-Last-Systems als natürlicher Filter aus. Diese inhärente Trägheit glättet die Drehmomentvariationen, sodass der Motor trotz des Vorhandenseins von Drehmomentrippeln eine relativ gleichmäßige Rotationsgeschwindigkeit aufrechterhalten kann.