Brushloze gelijkstroommotoren

Definitie

Een brushless DC-motorrijving is gedefinieerd als een zelfbesturende variabele frequentierijving die gebruik maakt van een sinusvormige Permanent Magnet Alternating Current (PMAC) motor. Deze soort rijving biedt verschillende opmerkelijke voordelen. Praktisch onderhoudsvrij, heeft het een verlengde levensduur, waardoor het een betrouwbare keuze is voor diverse toepassingen. Bovendien heeft het een lage rotatie-inertia, minimale wrijving en werkt met lage-frequentie-eigenschappen. Daarnaast genereert het minimale radiofrequente interferentie en geluid, waardoor vloeiende en stille werking wordt gegarandeerd. Echter, het is niet zonder nadelen; de belangrijkste beperkingen zijn de relatief hoge kosten en de lage starttorque.

Toepassingen

Brushless DC-motorrijvingen worden breed toegepast in verschillende industrieën en apparaten. In de consumentenelektronica worden ze gebruikt in platenspelers, bandopnemers en spindelrijvingen in computerharde schijven. Ze dienen ook als lage-energie rijvingen in computerperifere instrumenten en besturingssystemen. Buiten de consumentenelektronica om, strekken hun toepassingen zich uit naar de luchtvaartindustrie, waar betrouwbaarheid en lage-geluidsoperatie cruciaal zijn. In het biomedische veld maken hun precisie en schone operatie ze geschikt voor diverse medische apparaten. Daarnaast worden ze vaak gebruikt om koelwaaiers te rijven, waarmee efficiënte en stille ventilatie in tal van systemen wordt geboden.

Motorstructuur

De figuur hieronder illustreert de doorsnede van een driefase, twee-pool trapeziumvormige PMAC-motor, die een belangrijk onderdeel is van de brushless DC-motorrijving. De motor heeft een permanente magneetrotor met een brede poolboog, wat bijdraagt aan de efficiënte werking. De stator is uitgerust met drie-pool windingen, elk 120 graden van elkaar verwijderd. Deze specifieke windingconfiguratie zorgt voor evenwichtige elektrische werking en vloeiende torqueproductie. Elke fase winding beslaat 60 graden aan elke kant, wat de interactie van het magnetische veld binnen de motor optimaliseert en nauwkeurige controle over de snelheid en prestaties mogelijk maakt.

De in de drie fasen van de motor geïnduceerde spanningen worden in de figuur hieronder weergegeven. Het genereren van een trapeziumvormig signaal kan worden toegeschreven aan de specifieke interactie tussen de rotor en de stator. Wanneer de rotor in tegenwijzerzin roteert, tijdens de eerste 120-graden rotatie vanaf een referentiepositie, interageren alle bovenste geleiders van fase A met de zuidpool van het magnetische veld, terwijl alle onderste geleiders van fase A in contact staan met de noordpool.

Deze constante magnetische koppeling binnen deze hoekbereik leidt tot een relatief stabiele geïnduceerde spanning, wat bijdraagt aan het platte bovenste deel van de trapeziumvormige golf. Naarmate de rotor verder roteert, veroorzaken de veranderende magnetische veldoriëntaties dat de geïnduceerde spanning overgaat, uiteindelijk de karakteristieke trapeziumvorm vormend die essentieel is voor de juiste werking en besturing van de brushless DC-motorrijving.

Tijdens een 120-graden rotatie van de rotor blijft de in fase A geïnduceerde spanning relatief constant. Zodra de rotatie 120 graden overschrijdt, beginnen sommige bovenste geleiders van fase A te koppelen met de noordpool, terwijl anderen doorgaan met interactie met de zuidpool. Hetzelfde fenomeen treedt op bij de onderste geleiders. Als gevolg hiervan keert de in fase A geïnduceerde spanning gedurende de volgende 60-graden rotatie lineair. Dit patroon van spanningverandering wordt ook weerspiegeld in fases B en C, waardoor een gecoördineerd elektrisch gedrag ontstaat dat essentieel is voor de werking van de motor.

Het brushless DC-motorrijvingsysteem, zoals weergegeven in de figuur hieronder, bestaat uit een spanningsbroninverter gekoppeld aan een trapeziumvormige PMAC-motor. De statorwindingen van de motor zijn geconfigureerd in een ster-configuratie. De figuur toont ook het karakteristieke fase-spanningssignaal van de trapeziumvormige PMAC-motor, wat de unieke spanning-inductiedynamiek beschrijft die hierboven is vermeld. Dit signaal is een belangrijk kenmerk dat de efficiënte besturing en werking van de brushless DC-motorrijving mogelijk maakt, waardoor vloeiende torqueproductie en nauwkeurige snelheidsregulering worden gefaciliteerd.

De statorwindingen van de brushless DC-motor worden voorzien van stroompulsen. Elk pulshas een duur van 120 elektrische graden en is precies geplaatst binnen het gebied waar de geïnduceerde spanning constant blijft en haar maximale waarde bereikt. Belangrijk is dat de polariteit van deze stroompulsen overeenkomt met die van de geïnduceerde spanning, waardoor een harmonieuze interactie tussen de elektrische ingangen en het door de motor gegenereerde magnetische veld wordt gegarandeerd.

De luchtspaatflux binnen de motor wordt op een stabiel niveau gehouden, en de grootte van de geïnduceerde spanning is direct evenredig met de rotatiesnelheid van de rotor. Deze relatie is fundamenteel voor de werking van de motor, omdat het toelaat nauwkeurige controle van de motorprestaties op basis van de snelheidsafhankelijke geïnduceerde spanning, waardoor efficiënte energietransfer en vloeiende werking over verschillende werkomstandigheden mogelijk wordt.

Tijdens elk 60-graden interval van de werking stroomt er stroom in één fase van de statorwinding van de motor en gaat deze uit via een andere. Dit alternerende stroompatroon is een belangrijk kenmerk van de werking van de brushless DC-motor. Hierdoor kan de aan de motor geleverde energie binnen elk van deze 60-graden intervallen worden uitgedrukt door de volgende formule, die rekening houdt met de interactie tussen spanning en stroom binnen de windingfasen.

De door de motor ontwikkelde torque

Het torquesignaal van de brushless DC-motorrijving wordt in de figuur hieronder weergegeven. De grootte van de door de motor gegenereerde torque is direct evenredig met de stroom die door de DC-krachtverbindingen stroomt. Deze relatie is fundamenteel voor het begrijpen van het dynamische gedrag en de prestatiekenmerken van de motor.

Regeneratieve remmen in dit rijvingsysteem wordt bereikt door de fasestroom om te keren. Wanneer de fasestroom wordt omgekeerd, verandert de richting van de stroombron Id eveneens. Deze omkering initieert een energiestroom die begint bij de motor, door de inverter gaat en uiteindelijk terugkeert naar de DC-bron. Tijdens dit proces fungeert de motor als generator, waarbij de mechanische energie van de belasting wordt omgezet in elektrische energie, die vervolgens wordt teruggevoerd in de energievoorziening. Dit helpt niet alleen bij het afremmen van de motor, maar stelt ook herwinning en hergebruik van energie in, waardoor de algehele efficiëntie van het systeem wordt verbeterd.

Wanneer de rotatiesnelheid van het rijvingsysteem wordt omgekeerd, slaat de polariteit van de in de motor geïnduceerde spanningen ook om. Deze verandering in de spanningpolariteit activeert de regeneratieve remoperatie, waardoor het rijvingsysteem de mechanische energie van de bewegende belasting kan omzetten in elektrische energie die kan worden teruggevoerd in de energievoorziening.

Omgekeerd, het omkeren van de richting van de stroom die door de motorwindingen stroomt, activeert de motoring-operatie, waardoor de motor in de gewenste richting wordt aangedreven. De stroomsignalen die behoren bij deze verschillende werkingmodi—regeneratieve remming en motoring—worden duidelijk weergegeven in de figuur hieronder, wat een visuele weergave geeft van het elektrische gedrag van het rijvingsysteem onder verschillende omstandigheden.

Soorten Brushless DC-motorrijving

De brushless DC-motorrijving kan primair worden ingedeeld in twee onderscheiden typen: de laagkosten brushless DC-motorrijving en de enkelefase brushless DC-motorrijving. Elk type heeft zijn eigen unieke kenmerken en operationele principes, die hieronder in detail worden beschreven.

Laagkosten Brushless DC-motorrijving

De laagkosten brushless DC-motorrijving is ontworpen met eenvoud en betaalbaarheid in gedachten. Het heeft een minimalistische configuratie, bestaande uit slechts drie transistors en een driediode-converter. Deze setup beperkt de rijving tot het leveren van alleen positieve stroom of spanning aan de driefase motor.

Tijdens de werking spelen de geïnduceerde spanning en stroom een cruciale rol in zowel de motoring- als remfuncties van de motor. Wanneer 120-graden positieve stroompulsen worden geleverd aan de motor, initieert dit een motoringactie, waardoor de motor in tegengestelde richting roteert. Omgekeerd, wanneer deze stroompulsen 60 graden verschuiven naar een totaal van 180 graden, gaat de motor over in een remtoestand. Deze verandering in de timing van de stroompulsen wijzigt effectief de interactie tussen de elektrische invoer en het magnetische veld van de motor, waardoor de overgang van rotatiemotie naar een remmechanisme mogelijk wordt.

Laagkosten Brushless DC-motorrijving: Stroomcontrole Mechanisme

In de laagkosten brushless DC-motorrijving wordt de stroom van fase A nauwkeurig gereguleerd door de thyristor Tr1 en de diode D1. Wanneer Tr1 wordt geactiveerd (ingeschakeld), wordt de bronspanning Vd aangesloten op winding A. Deze verbinding zorgt ervoor dat de veranderingssnelheid van de stroom IA positief wordt, wat betekent dat de stroom in fase A begint te toenemen. Omgekeerd, wanneer Tr1 wordt gedeactiveerd (uitgeschakeld), komt de stroom iA in een freewheeling-toestand via diode D1. Tijdens dit freewheelingproces wordt de veranderingssnelheid van iA negatief, en de stroom neemt geleidelijk af.

Binnen het tijdsinterval van 0-120º kan Tr1 in een wisselend patroon worden ingeschakeld en uitgeschakeld. Deze inschakel-uitschakelstrategie wordt toegepast om de werkelijke stroom IA nauwkeurig te laten volgen na een rechthoekige referentiestroom iA, waardoor het verschil tussen hen binnen een vooraf gedefinieerde hystereseband blijft. Deze nauwkeurige controle helpt bij het handhaven van stabiele motorengwerking en efficiënte energietransfer.

Enkelefase Brushless DC-motorrijving

De configuratie van de enkelefase brushless DC-motorrijving wordt in de figuur hieronder weergegeven. Voor analyse doeleinden, wordt aangenomen dat de motor wordt gevoed door een halfbrug enkelefase converter, die een rechthoekig stroomsignaal levert aan de motor, zoals weergegeven in de bijbehorende diagram. Dit specifieke stroomsignaal speelt een cruciale rol in het bepalen van de prestatiekenmerken en operationele gedrag van de motor.

De door de motor gegenereerde torque vertoont significante fluctuaties, ook bekend als torqueripple. Echter, wanneer de motor op hoge snelheden werkt, fungeert de inertie van het motorkrachtbelastingssysteem als een natuurlijke filter. Deze inherente inertie dempt de torquevariaties, waardoor de motor ondanks het aanwezig zijn van torqueripple een relatief uniforme rotatiesnelheid kan handhaven.