Bezčotuli DC pogonski motori

Definicija

Građevina pogona sa štetnjakom DC je definirana kao samokontrolirani varijabilni pogon s promjenjivom frekvencijom koji koristi sinusni stalni magnetni stroj (PMAC). Ovaj tip pogona nudi nekoliko značajnih prednosti. Gotovo bez održavanja, osigurava produženi životni vijek, što ga čini pouzdanom opcijom za razne primjene. Također ima nizu rotacijske inercije, minimalno trenje i radi na niskofrekventnim karakteristikama. Nadalje, generira minimalnu interferenciju radiofrekvencija i buku, što osigurava glatko i tiho radnje. Međutim, nije bez nedostataka; glavni ograničenja su relativno visoka cijena i niska početna vrtložnost.

Primjene

Pogoni sa štetnjakom DC široko se koriste u različitim industrijama i uređajima. U području potrošačke elektronike, koriste se u gramofonom, trakama snimatelja i spindl povrata tvrdih diskova računala. Također služe kao niskosnažni pogoni u perifernim instrumentima računala i sustavima upravljanja. Izvan potrošačke elektronike, njihove primjene se proširuju na aerospace industriju, gdje su pouzdanost i tiho radnje ključni. U biomedicinskom području, njihova preciznost i čist rad ih čine prikladnim za razne medicinske uređaje. Također se često koriste za pogon hladnjaka, pružajući učinkovit i tihi ventilaciju u mnogim sustavima.

Konstrukcija motora

Sljedeća slika prikazuje presjek trofaznog, dvopoložnog trapeznog PMAC motora, koji je ključni dio pogona sa štetnjakom DC. Motor ima stalni magnetni rotor s širokim polnim lukom, što doprinosi njegovoj učinkovitoj operaciji. Stator je opremljen tri faze namotača, svaki odmaknut 120 stupnjeva jedan od drugoga. Ova specifična konfiguracija namotača osigurava ravnotežu električne operacije i gladki proizvod vrtložnosti. Svaki faza namotač obuhvaća 60 stupnjeva na svakoj strani, optimizirajući interakciju magnetskog polja unutar motora i omogućujući točno upravljanje brzinom i performansama.

Naponi inducirani u tri faze motora prikazani su na sljedećoj slici. Generiranje trapeznog valnih oblika može se pripisati specifičnoj interakciji između rotora i statora. Kada rotor rotira u smjeru suprotnom kazaljci, tijekom prvih 120 stupnjeva rotacije od referentne pozicije, svi vrhovi faze A interagiraju s južnim polom magnetskog polja, dok svi dno faze A uključuju sjeverni pol. 

Ova konstantna magnetska vezivanja u ovom kutnom rasponu dovodi do relativno stabilnog induciranog napona, doprinoseći ravnom gornjem dijelu trapeznog valnih oblika. Kako rotor nastavlja rotirati, mijenjajuće orijentacije magnetskog polja uzrokuju prelaz induciranog napona, formirajući karakteristični trapezni oblik koji je bitan za ispravnu operaciju i upravljanje pogona sa štetnjakom DC.

Tijekom 120-stupnjeve rotacije rotora, napon induciran u fazi A ostaje relativno konstantan. Kada rotacija premaši 120 stupnjeva, neki od vrhova faze A počinju vezivati se s sjevernim polom, dok drugi nastavljaju interagirati s južnim polom. Isti fenomen događa se i s dnom faze. Kao rezultat, tijekom sljedećih 60 stupnjeva rotacije, napon induciran u fazi A linearno se obrnjuje. Ovaj model promjene napona se odbija u fazama B i C, stvarajući koordinirano električno ponašanje ključno za rad motora.

Sustav pogona sa štetnjakom DC, kako je prikazano na sljedećoj slici, sastoji se od invertora s naponskim izvorom spojenim s trapeznim PMAC motorom. Namotači statora motora su konfigurirani u zvjezdnu vezu. Slika također prikazuje karakteristični valni oblik faza-napona trapeznog PMAC motora, koji odražava jedinstvene dinamike indukcije napona opisane iznad. Ovaj valni oblik je ključna značajka koja omogućuje učinkovito upravljanje i rad pogona sa štetnjakom DC, omogućujući gladki proizvod vrtložnosti i točno reguliranje brzine.

Namotači statora motora sa štetnjakom DC su opskrbljeni impulzima struja. Svaki impuls ima trajanje od 120 električnih stupnjeva i točno je pozicioniran u regiji gdje inducirani napon ostaje konstantan i dostiže svoju maksimalnu vrijednost. Ključno je da polaritet ovih impulsa struje poklapa se s polaritetom induciranog napona, osiguravajući harmoničnu interakciju između električnih ulaza i magnetskog polja generiranog motorom.

Magnetni tok u zraku unutar motora održava se na stabilnoj razini, a magnituda induciranog napona direktno je proporcionalna brzini rotacije rotora. Ova relacija je temeljna za rad motora, jer omogućuje točno upravljanje performansama motora temeljenim na brzini-induciranom naponu, omogućujući učinkovitu prenos snage i gladki rad u različitim uvjetima rada.

Tijekom svakog 60-stupnjeve intervala operacije, struja teče u jednu fazu namotača statora motora i izlazi iz druge. Ovaj alternirajući model toka struje je ključna karakteristika rada motora sa štetnjakom DC. Kao rezultat, snaga opskrbljena motoru u svakom od ovih 60-stupnjeve intervala može se izraziti sljedećom formulom, koja uzima u obzir interakciju između napona i struje unutar faza namotača.

Vrtložnost razvijena motorom

Valni oblik vrtložnosti pogona sa štetnjakom DC prikazan je na sljedećoj slici. Magnituda vrtložnosti generirane motorom direktno je proporcionalna strujama koje teku kroz DC snaga veze. Ova relacija je temeljna za razumijevanje dinamičkog ponašanja i performansi motora.

Regenerativno zaustavljanje u ovom sustavu pogona postiže se obrtanjem faze struje. Kada se faza struje okrene, smjer izvora struje Id također se mijenja. Ova obrtaja pokreće protok snage koji započinje od motora, prođe kroz inverter i konačno se vraća na DC izvor. Tijekom ovog procesa, motor djeluje kao generator, pretvarajući mehaničku energiju s opterećenja u električnu energiju, koja se zatim vraća u snaga opskrbu. Ovo ne samo da pomogne u usporavanju motora, već omogućuje i oporavak i ponovnu upotrebu energije, poboljšavajući ukupnu učinkovitost sustava.

Kada se brzina rotacije pogonskog sustava okrene, polaritet induciranih napona unutar motora također se okrene. Ova promjena polariteta napona pokreće regenerativno zaustavljanje, omogućujući pogon da pretvori mehaničku energiju pokretnog opterećenja u električnu energiju koja se može vratiti u snaga opskrbu.

S druge strane, obrtanje smjera struje koja teče kroz namotače motora pokreće rad motora, gurnući motor u željenom smjeru. Valni oblici struje odgovarajući ovim različitim načinima rada—regenerativno zaustavljanje i rad motora—jasno su prikazani na sljedećoj slici, pružajući vizualnu reprezentaciju električkog ponašanja pogonskog sustava u različitim uvjetima.

Tipovi pogona sa štetnjakom DC

Pogon sa štetnjakom DC može se uglavnom kategorizirati u dva različita tipa: niskocijeni pogon sa štetnjakom DC i jednofazni pogon sa štetnjakom DC. Svaki tip ima svoje jedinstvene karakteristike i operativne principi, koji su detaljno opisani u nastavku.

Niskocijeni pogon sa štetnjakom DC

Niskocijeni pogon sa štetnjakom DC dizajniran je s naglaskom na jednostavnost i pristupačnost. Ima minimalističku konfiguraciju, sastavljenu od samo tri tranzistora i tri dioda pretvarača. Ova postavka ograničava pogon na opskrbu samo pozitivne struje ili napona trofaznom motoru.

Tijekom operacije, inducirani napon i struja igraju ključnu ulogu u oba motora i funkcije zaustavljanja motora. Kada se 120-stupnjevi pozitivni impulsi struje dostavljaju motoru, pokreće se rad motora, uzrokujući rotaciju motora u smjeru suprotnom kazaljci. S druge strane, kada se ovi impulsi struje pomaknu za 60 stupnjeva na ukupno 180 stupnjeva, motor prelazi u stanje zaustavljanja. Ova promjena u vremenskom rasporedu impulsa struje efektivno mijenja interakciju između električnog ulaza i magnetskog polja motora, omogućujući prelaz od rotacijskog gibanja na mehanizam zaustavljanja.

Niskocijeni pogon sa štetnjakom DC: Mekanizam upravljanja strujom

U niskocijenom pogonu sa štetnjakom DC, struja faze A točno se regulira tiristorom Tr1 i diodom D1. Kada je Tr1 aktiviran (uključen), izvorna napona Vd povezuje se na namotač A. Ova veza uzrokuje da stopa promjene struje IA postane pozitivna, što znači da struja u fazi A počinje rasti. S druge strane, kada je Tr1 deaktiviran (isključen), struja iA ulazi u slobodni hod kroz diodu D1. Tijekom ovog slobodnog hoda, stopa promjene iA postaje negativna, a struja postupno opada.

Unutar 0-120º vremenskog perioda, Tr1 može se uključivati i isključivati naizmjenično. Ova strategija uključivanja i isključivanja koristi se kako bi stvarna struja IA blisko pratio pravokutni referentni struja iA, osiguravajući da razlika između njih ostane unutar preddefiniranog histeresnog pojasa. Ovo točno upravljanje pomaže u održavanju stabilnog rada motora i učinkovitom prenosu snage.

Jednofazni pogon sa štetnjakom DC

Konfiguracija jednofaznog pogona sa štetnjakom DC prikazana je na sljedećoj slici. Za analizu pretpostavimo da je motor opskrbljen polmostupanjem jednofaznim pretvaračem, koji opskrbljuje motor pravokutnim valnim oblikom struje, kao što je prikazano na priloženoj slici. Ovaj specifični valni oblik struje igra ključnu ulogu u određivanju performansi i operativnog ponašanja motora.

Vrtložnost generirana motorom pokazuje značajne fluktuacije, često se naziva vrtložnost talas. Međutim, kada motor radi na visokim brzinama, inercija motora-opterećenja sustava djeluje kao prirodni filter. Ova inerentna inercija izglađuje varijacije vrtložnosti, omogućujući motoru da održi relativno uniformnu brzinu rotacije unatoč prisutnosti vrtložnosti talas.