موتورهای دی‌سی بدون برس

تعریف

راننده موتور دی‌سی بدون فرش تعریف می‌شود به عنوان یک راننده با فرکانس متغیر خودکنترل که از یک موتور جریان متناوب دائمی سینوسی (PMAC) استفاده می‌کند. این نوع راننده چندین مزیت قابل توجه دارد. عملاً بدون نگهداری، عمر طولانی‌مدتی دارد و آن را به یک گزینه قابل اعتماد برای کاربردهای مختلف تبدیل می‌کند. علاوه بر این، گشتاور اینرسی پایین، اصطکاک کم و عملکرد با ویژگی‌های فرکانس پایین را دارد. همچنین، تداخل رادیویی و صدای کمی تولید می‌کند و عملکرد هموار و ساکت را تضمین می‌کند. با این حال، بدون معایب نیست؛ محدودیت‌های اصلی آن هزینه نسبتاً بالا و گشتاور شروع کم است.

کاربردها

راننده‌های موتور دی‌سی بدون فرش در طیف وسیعی از صنایع و دستگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حوزه الکترونیک مصرف‌کننده، آنها در پخش‌کن‌های ضبط، درایوهای نوار برای ضبط‌کن‌ها و درایوهای محوری در دیسک‌های سخت کامپیوتر استفاده می‌شوند. آنها همچنین به عنوان راننده‌های با توان پایین در دستگاه‌های جانبی کامپیوتر و سیستم‌های کنترلی مورد استفاده قرار می‌گیرند. فراتر از الکترونیک مصرف‌کننده، کاربردهای آنها به صنعت هوافضا گسترش می‌یابد که قابلیت اطمینان و عملکرد با صدای کم بسیار مهم است. در زمینه پزشکی، دقت و عملکرد تمیز آنها آنها را برای دستگاه‌های پزشکی مختلف مناسب می‌سازد. علاوه بر این، آنها معمولاً برای راندن مراوح خنک‌کننده استفاده می‌شوند و تهویه کارآمد و ساکت در سیستم‌های مختلف فراهم می‌کنند.

ساختار موتور

شکل زیر برش مقطعی یک موتور PMAC ذوزنقه‌ای سه‌فاز و دو قطب را نشان می‌دهد که یک مؤلفه کلیدی راننده موتور دی‌سی بدون فرش است. موتور دارای یک روتور دائمی مغناطیسی با قوس قطب گسترده است که به عملکرد کارآمد آن کمک می‌کند. استاتور با سه پیچش قطبی مجهز شده است که هر یک ۱۲۰ درجه از یکدیگر جدا شده‌اند. این پیکربندی پیچشی خاص امنیت عملکرد الکتریکی و تولید گشتاور هموار را تضمین می‌کند. هر پیچش فازی ۶۰ درجه در هر طرف پهنای گرفته و تعامل میدان مغناطیسی در داخل موتور را بهینه می‌کند و کنترل دقیق سرعت و عملکرد آن را امکان‌پذیر می‌سازد.

ولتاژهای القاء شده در سه فاز موتور در شکل زیر نشان داده شده‌اند. تولید موج ذوزنقه‌ای به تعامل خاص بین روتور و استاتور برمی‌گردد. وقتی روتور در جهت پادساعت‌گرد چرخیده و در ۱۲۰ درجه اول چرخش از یک موقعیت مرجع، تمام رساناهای بالایی فاز A با قطب جنوب میدان مغناطیسی تعامل دارند، در حالی که تمام رساناهای پایینی فاز A با قطب شمال تعامل دارند.

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

در طول ۱۲۰ درجه چرخش روتور، ولتاژ القاء شده در فاز A نسبتاً ثابت می‌ماند. یک بار که چرخش ۱۲۰ درجه را تجاوز می‌کند، برخی از رساناهای بالایی فاز A شروع به تعامل با قطب شمال می‌کنند، در حالی که برخی دیگر به تعامل با قطب جنوب ادامه می‌دهند. همین پدیده در رساناهای پایینی نیز رخ می‌دهد. بنابراین، در ۶۰ درجه بعدی چرخش، ولتاژ القاء شده در فاز A خطی وار معکوس می‌شود. این الگوی تغییر ولتاژ در فاز B و C نیز تکرار می‌شود و رفتار الکتریکی هماهنگی برای عملکرد موتور فراهم می‌کند.

سیستم راننده موتور دی‌سی بدون فرش، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، شامل یک انورسر منبع ولتاژ با یک موتور PMAC ذوزنقه‌ای است. پیچش‌های استاتور موتور در یک اتصال ستاره‌ای پیکربندی شده‌اند. شکل همچنین موج ولتاژ فاز مشخص موتور PMAC ذوزنقه‌ای را نشان می‌دهد که انعکاسی از دینامیک‌های القای ولتاژ فوق‌العاده توصیف شده است. این موج یک ویژگی کلیدی است که کنترل و عملکرد کارآمد راننده موتور دی‌سی بدون فرش را تسهیل می‌کند و تولید گشتاور هموار و تنظیم دقیق سرعت را فراهم می‌کند.

پیچش‌های استاتور موتور دی‌سی بدون فرش با پالس‌های جریان تغذیه می‌شوند. هر پالس دارای مدت ۱۲۰ درجه الکتریکی است و به طور دقیق در منطقه‌ای که ولتاژ القاء شده ثابت و به حداکثر مقدار خود می‌رسد، مکان یافته است. به طور حیاتی، قطبیت این پالس‌های جریان با ولتاژ القاء شده هماهنگ است و تعامل هماهنگی بین ورودی‌های الکتریکی و میدان مغناطیسی تولید شده توسط موتور را تضمین می‌کند.

فلکس گپ درون موتور در سطح ثابتی نگه داشته می‌شود و مقدار ولتاژ القاء شده مستقیماً با سرعت چرخش روتور متناسب است. این رابطه برای عملکرد موتور اساسی است، زیرا اجازه می‌دهد که عملکرد موتور بر اساس ولتاژ القاء شده مرتبط با سرعت کنترل شود و انتقال قدرت کارآمد و عملکرد هموار در شرایط مختلف عملیاتی را فراهم کند.

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

گشتاور تولید شده توسط موتور

موج گشتاور راننده موتور دی‌سی بدون فرش در شکل زیر نشان داده شده است. مقدار گشتاور تولید شده توسط موتور مستقیماً با جریان جاری در لینک‌های DC قدرت متناسب است. این رابطه برای درک رفتار دینامیکی و ویژگی‌های عملکردی موتور اساسی است.

برامه‌گیری بازیابی در این سیستم راننده با معکوس کردن جریان فازی دستیابی می‌شود. وقتی جریان فازی معکوس می‌شود، جهت منبع جریان Id نیز به طور متناسب تغییر می‌کند. این معکوس‌سازی یک جریان قدرت را آغاز می‌کند که از موتور شروع شده، از طریق انورسر عبور می‌کند 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 منبع تغذیه بازمی‌گردد. این نه تنها به کاهش سرعت موتور کمک می‌کند بلکه امکان بازیابی و مجدد استفاده از انرژی را فراهم می‌کند و کارایی کلی سیستم را افزایش می‌دهد.

وقتی سرعت چرخش سیستم راننده معکوس می‌شود، قطبیت ولتاژهای القاء شده در موتور نیز معکوس می‌شود. این تغییر در قطبیت ولتاژ عملیات برامه‌گیری بازیابی را فعال می‌کند و امکان می‌دهد سیستم برامه‌گیری انرژی مکانیکی بار حرکتی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند که می‌تواند به منبع تغذیه بازگردانده شود.

به طور معکوس، معکوس کردن جهت جریان جاری در پیچش‌های موتور عملیات موتوری را آغاز می‌کند و موتور را در جهت مورد نظر می‌راند. موج‌های جریان متناظر با این حالت‌های عملیاتی متفاوت - برامه‌گیری بازیابی و موتوری - در شکل زیر به طور واضح نشان داده شده‌اند و یک نمای تصویری از رفتار الکتریکی سیستم راننده در شرایط مختلف ارائه می‌دهند.

انواع راننده موتور دی‌سی بدون فرش

راننده موتور دی‌سی بدون فرش می‌تواند به دو نوع اصلی تقسیم‌بندی شود: راننده موتور دی‌سی بدون فرش با هزینه پایین و راننده موتور دی‌سی بدون فرش یک‌فاز. هر نوع دارای ویژگی‌ها و اصول عملیاتی خاص خود است که در زیر توضیح داده شده‌اند.

راننده موتور دی‌سی بدون فرش با هزینه پایین

راننده موتور دی‌سی بدون فرش با هزینه پایین با تمرکز بر سادگی و ارزانی طراحی شده است. دارای یک پیکربندی حداقلی است که شامل فقط سه ترانزیستور و یک کنورتر سه دیود است. این پیکربندی راننده را به تأمین فقط جریان یا ولتاژ مثبت به موتور سه‌فاز محدود می‌کند.

در طول عملکرد، ولتاژ و جریان القاء شده نقش‌های کلیدی در عملکردهای موتوری و برامه‌گیری موتور دارند. وقتی پالس‌های جریان مثبت ۱۲۰ درجه‌ای به موتور تحویل داده می‌شوند، عملیات موتوری آغاز می‌شود و موتور در جهت پادساعت‌گرد چرخیده. به طور معکوس، وقتی این پالس‌های جریان ۶۰ درجه به یک مجموع ۱۸۰ درجه منتقل می‌شوند، موتور به وضعیت برامه‌گیری می‌گذرد. 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 مکانیسم برامه‌گیری تغییر می‌کند.

راننده موتور دی‌سی بدون فرش با هزینه پایین: مکانیسم کنترل جریان

در راننده موتور دی‌سی بدون فرش با هزینه پایین، جریان فاز A به طور دقیق توسط تایریستور Tr1 و دیود D1 تنظیم می‌شود. وقتی Tr1 فعال (روشن) می‌شود، ولتاژ منبع Vd به پیچش A متصل می‌شود. این اتصال باعث می‌شود نرخ تغییر جریان IA مثبت شود، یعنی جریان در فاز A شروع به افزایش می‌کند. به طور معکوس، وقتی Tr1 غیرفعال (خاموش) می‌شود، جریان iA از طریق دیود D1 به حالت آزاد می‌رود. در طول این فرآیند آزاد، 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 کردن برای این است که جریان واقعی IA به طور دقیق جریان مرجع مستطیلی iA را دنبال کند و تفاوت بین آن‌ها در یک باند هیسترزیس متعارف نگه داشته شود. این کنترل دقیق به حفظ عملکرد پایدار موتور و انتقال قدرت کارآمد کمک می‌کند.

راننده موتور دی‌سی بدون فرش یک‌فاز

پیکربندی راننده موتور دی‌سی بدون فرش یک‌فاز در شکل زیر نشان داده شده است. برای تحلیل، فرض کنید که موتور توسط یک کنورتر یک‌فاز نیمه پل 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 کار می‌کند، اینرسی سیستم موتور-بار به طور طبیعی به عنوان یک فیلتر عمل می‌کند. این اینرسی ذاتی نوسانات گشتاور را هموار می‌کند و به موتور اجازه می‌دهد سرعت چرخش نسبتاً یکنواختی را حفظ کند، حتی در حضور گشتاور ریپل.