موتورهای دی‌سی بدون فرش

تعریف

محرک بدون فرش دی‌سی به عنوان یک محرک متغیر فرکانس خودکنترل که از موتور جریان متناوب دائمی (PMAC) سینوسی استفاده می‌کند، تعریف می‌شود. این نوع محرک چندین مزیت قابل توجه را ارائه می‌دهد. به طور عملی نیازی به نگهداری ندارد و عمر مفید طولانی‌تری دارد که آن را برای کاربردهای مختلف معتبر می‌کند. علاوه بر این، دارای لختی چرخشی پایین، اصطکاک کم و عملکرد با ویژگی‌های فرکانس پایین است. همچنین، میزان تداخل رادیویی و نویز کمی تولید می‌کند که عملکرد صاف و آرام را تضمین می‌کند. با این حال، بدون معایب نیست؛ محدودیت‌های اصلی آن هزینه نسبتاً بالا و گشتاور شروع پایین است.

کاربردها

محرک‌های بدون فرش دی‌سی در محدوده وسیعی از صنایع و دستگاه‌ها استفاده می‌شوند. در حوزه الکترونیک مصرف‌کننده، آنها در گرامافون‌ها، محرک‌های نوار ضبط کننده و محرک‌های محور در دیسک‌های سخت کامپیوتر استفاده می‌شوند. آنها همچنین به عنوان محرک‌های با توان پایین در دستگاه‌های جانبی کامپیوتر و سیستم‌های کنترلی استفاده می‌شوند. فراتر از الکترونیک مصرف‌کننده، کاربردهای آنها به صنعت هوافضا می‌رسد که در آنجا قابلیت اطمینان و عملکرد بدون نویز بسیار مهم است. در زمینه پزشکی، دقت و عملکرد تمیز آنها آنها را برای دستگاه‌های پزشکی مختلف مناسب می‌کند. علاوه بر این، آنها به طور معمول برای محرک مراوح خنک‌کننده استفاده می‌شوند که تهویه کارآمد و آرام در سیستم‌های مختلف را فراهم می‌کند.

ساختار موتور

شکل زیر برش مقطعی یک موتور PMAC ذوزنقه‌ای سه‌فاز و دو قطب را نشان می‌دهد که جزء اصلی محرک بدون فرش دی‌سی است. موتور دارای روتور دائمی مغناطیسی با قوس قطبی گسترده است که به عملکرد کارآمد آن کمک می‌کند. استاتور با سه پیچش قطبی مجهز است که هر یک ۱۲۰ درجه از یکدیگر جدا شده‌اند. این پیکربندی پیچش خاص تعادل عملکرد الکتریکی و تولید گشتاور صاف را تضمین می‌کند. هر پیچش فازی ۶۰ درجه در هر طرف پهنای دارد که به تعامل میدان مغناطیسی در داخل موتور بهینه می‌کند و کنترل دقیق روی سرعت و عملکرد آن را ممکن می‌سازد.

ولتاژهای القایی در سه فاز موتور در شکل زیر نشان داده شده است. ایجاد یک موج ذوزنقه‌ای می‌تواند به تعامل خاص بین روتور و استاتور نسبت داده شود. وقتی روتور در جهت پادساعتگرد چرخیده و در ۱۲۰ درجه اول از موقعیت مرجع چرخیده، تمام رسانه‌های بالایی فاز A با قطب جنوبی میدان مغناطیسی تعامل می‌کنند در حالی که تمام رسانه‌های پایینی فاز A با قطب شمالی تعامل می‌کنند.

این تعامل مغناطیسی ثابت در این محدوده زاویه‌ای منجر به ولتاژ القایی نسبتاً ثابت می‌شود که به بخش بالایی مسطح موج ذوزنقه‌ای کمک می‌کند. با ادامه چرخش روتور، تغییر در جهت‌های میدان مغناطیسی باعث تغییر ولتاژ القایی می‌شود و در نهایت شکل مشخص ذوزنقه‌ای را تشکیل می‌دهد که برای عملکرد صحیح و کنترل محرک بدون فرش دی‌سی ضروری است.

در طول چرخش ۱۲۰ درجه روتور، ولتاژ القایی در فاز A نسبتاً ثابت می‌ماند. یک بار این چرخش ۱۲۰ درجه را تجاوز کرد، برخی از رسانه‌های بالایی فاز A شروع به تعامل با قطب شمال می‌کنند در حالی که برخی دیگر همچنان با قطب جنوب تعامل می‌کنند. همین پدیده برای رسانه‌های پایینی نیز رخ می‌دهد. در نتیجه، در ۶۰ درجه بعدی چرخش، ولتاژ القایی در فاز A خطی وارون می‌شود. این الگوی تغییر ولتاژ در فاز‌های B و C نیز تکرار می‌شود و رفتار الکتریکی هماهنگی را برای عملکرد موتور ایجاد می‌کند.

سیستم محرک بدون فرش دی‌سی، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، شامل یک انوکتور منبع ولتاژی همراه با موتور PMAC ذوزنقه‌ای است. پیچش‌های استاتور موتور به صورت اتصال ستاره‌ای پیکربندی شده‌اند. شکل همچنین موج ولتاژ فاز مشخص موتور PMAC ذوزنقه‌ای را نشان می‌دهد که بازتابی از دینامیک‌های منحصر به فرد القای ولتاژ فوق است. این موج ولتاژ ویژگی کلیدی است که به کنترل کارآمد و عملکرد محرک بدون فرش دی‌سی کمک می‌کند و تولید گشتاور صاف و تنظیم دقیق سرعت را تسهیل می‌کند.

پیچش‌های استاتور موتور بدون فرش دی‌سی با پالس‌های جریان تغذیه می‌شوند. هر پالس دارای مدت ۱۲۰ درجه الکتریکی است و به طور دقیق در منطقه‌ای که ولتاژ القایی ثابت و به حداکثر مقدار خود می‌رسد، قرار داده شده است. مهم است که قطبیت این پالس‌های جریان با ولتاژ القایی هماهنگ است که این امر باعث تعامل هماهنگ بین ورودی‌های الکتریکی و میدان مغناطیسی تولید شده توسط موتور می‌شود.

جریان مغناطیسی در فاصله هوا در موتور در سطح ثابتی نگهداری می‌شود و مقدار ولتاژ القایی مستقیماً با سرعت چرخش روتور متناسب است. این رابطه برای عملکرد موتور بنیادی است زیرا این امکان را فراهم می‌کند که عملکرد موتور بر اساس ولتاژ القایی وابسته به سرعت کنترل شود و انتقال توان کارآمد و عملکرد صاف را در شرایط مختلف عملیاتی امکان‌پذیر کند.

در هر بازه ۶۰ درجه عملکرد، جریان به یک فاز پیچش استاتور موتور وارد می‌شود و از فاز دیگر خارج می‌شود. این الگوی جریان متناوب ویژگی کلیدی عملکرد موتور بدون فرش دی‌سی است. در نتیجه، توان تحویل داده شده به موتور در هر یک از این بازه‌های ۶۰ درجه می‌تواند با فرمول زیر بیان شود که تعامل بین ولتاژ و جریان در فاز‌های پیچشی را در نظر می‌گیرد.

گشتاور تولید شده توسط موتور

موج گشتاور محرک بدون فرش دی‌سی در شکل زیر نشان داده شده است. مقدار گشتاور تولید شده توسط موتور مستقیماً با جریان جریان‌یافته از پیوندهای DC متناسب است. این رابطه برای درک رفتار دینامیکی و ویژگی‌های عملکرد موتور بنیادی است.

فرملسی بازیابی در این سیستم محرک با معکوس کردن جریان فازی انجام می‌شود. وقتی جریان فازی معکوس می‌شود، جهت منبع جریان Id نیز به طور متناسب تغییر می‌کند. این معکوس کردن یک جریان انرژی را آغاز می‌کند که از موتور شروع می‌شود، از طریق انوکتور می‌گذرد و در نهایت به منبع DC بازمی‌گردد. در این فرآیند، موتور به عنوان یک ژنراتور عمل می‌کند و انرژی مکانیکی از بار را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند که سپس به تأمین‌کننده انرژی بازمی‌گردد. این نه تنها به کاهش سرعت موتور کمک می‌کند بلکه امکان بازیابی و مجدد استفاده از انرژی را فراهم می‌کند و به کارایی کلی سیستم کمک می‌کند.

وقتی سرعت چرخش سیستم محرک معکوس می‌شود، قطبیت ولتاژهای القایی درون موتور نیز معکوس می‌شود. این تغییر در قطبیت ولتاژ عمل فرملسی بازیابی را فعال می‌کند و اجازه می‌دهد تا سیستم محرک انرژی مکانیکی بار متحرک را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و آن را به تأمین‌کننده انرژی بازگرداند.

به طور متقابل، معکوس کردن جهت جریان جریان‌یافته از پیچش‌های موتور عمل موتور را آغاز می‌کند و موتور را در جهت مورد نظر حرکت می‌دهد. موج‌های جریان مربوط به این حالت‌های عملکرد متمایز - فرملسی بازیابی و عمل موتور - به طور واضح در شکل زیر نشان داده شده است که نمایش تصویری از رفتار الکتریکی سیستم محرک در شرایط مختلف را ارائه می‌دهد.

نوع‌های محرک بدون فرش دی‌سی

محرک بدون فرش دی‌سی می‌تواند به دو نوع اصلی تقسیم شود: محرک بدون فرش دی‌سی با هزینه پایین و محرک بدون فرش دی‌سی تک‌فاز. هر نوع خصوصیات و اصول عملیاتی خاص خود را دارد که در زیر توضیح داده شده است.

محرک بدون فرش دی‌سی با هزینه پایین

محرک بدون فرش دی‌سی با هزینه پایین با توجه به سادگی و قابلیت تحمل هزینه طراحی شده است. این محرک دارای یک پیکربندی مینیمالیستی است که شامل فقط سه ترانزیستور و یک کنورتر سه دیود است. این تنظیمات محرک را محدود به تامین فقط جریان یا ولتاژ مثبت به موتور سه‌فاز می‌کند.

در طول عملکرد، ولتاژ القایی و جریان نقش‌های مهمی در هر دو عملکرد موتور و فرملسی موتور ایفا می‌کنند. وقتی پالس‌های جریان مثبت ۱۲۰ درجه به موتور تحویل داده می‌شوند، یک عملکرد موتوری آغاز می‌شود که باعث چرخش موتور در جهت پادساعتگرد می‌شود. به طور متقابل، وقتی این پالس‌های جریان ۶۰ درجه به مجموع ۱۸۰ درجه تغییر می‌کنند، موتور به حالت فرملسی می‌رسد. این تغییر در زمان‌بندی پالس‌های جریان به طور موثر تعامل بین ورودی الکتریکی و میدان مغناطیسی موتور را تغییر می‌دهد و از حرکت چرخشی به یک مکانیسم فرملسی تغییر می‌دهد.

محرک بدون فرش دی‌سی با هزینه پایین: مکانیسم کنترل جریان

در محرک بدون فرش دی‌سی با هزینه پایین، جریان فاز A به طور دقیق با تریستور Tr1 و دیود D1 تنظیم می‌شود. وقتی Tr1 فعال (روشن) می‌شود، ولتاژ منبع Vd به پیچش A متصل می‌شود. این اتصال باعث می‌شود که نرخ تغییر جریان IA مثبت شود، یعنی جریان در فاز A شروع به افزایش می‌کند. به طور متقابل، وقتی Tr1 غیرفعال (خاموش) می‌شود، جریان iA از طریق دیود D1 وارد وضعیت فری‌ویل می‌شود. در طول این فرآیند فری‌ویل، نرخ تغییر iA منفی می‌شود و جریان به تدریج کاهش می‌یابد.

در بازه زمانی ۰-۱۲۰ درجه، Tr1 می‌تواند به طور متناوب روشن و خاموش شود. این استراتژی روشن و خاموش شدن برای این است که جریان واقعی IA به طور نزدیکی یک جریان مرجع مستطیلی iA را دنبال کند و تفاوت بین آنها در یک باند هیسترزیس پیش‌تعیین‌شده نگهداری شود. این کنترل دقیق به حفظ عملکرد پایدار موتور و انتقال کارآمد توان کمک می‌کند.

محرک بدون فرش دی‌سی تک‌فاز

پیکربندی محرک بدون فرش دی‌سی تک‌فاز در شکل زیر نشان داده شده است. برای مقاصد تحلیل، فرض کنید که موتور توسط یک کنورتر تک‌فاز نیمه‌پلی تغذیه می‌شود که یک موج جریان مستطیلی به موتور تحویل می‌دهد، همانطور که در نمودار همراه نشان داده شده است. این موج جریان خاص نقش مهمی در تعیین ویژگی‌های عملکردی و رفتار عملیاتی موتور دارد.

گشتاور تولید شده توسط موتور نوسانات قابل توجهی دارد که به آن "گشتاور ریپل" گفته می‌شود. با این حال، وقتی موتور در سرعت‌های بالا عمل می‌کند، لختی سیستم موتور-بار به عنوان یک فیلتر طبیعی عمل می‌کند. این لختی ذاتی نوسانات گشتاور را صاف می‌کند و به موتور اجازه می‌دهد که سرعت چرخشی نسبتاً یکنواختی را حفظ کند، حتی با وجود گشتاور ریپل.