Moderne borstelloze gelijkstroommotoren
Dankzij aanzienlijke vooruitgang in halfgeleiderelektronica en de technologie om krachtige neodymiummagneten te maken, worden tegenwoordig veel borstelloze gelijkstroommotoren gebruikt. Ze worden gebruikt in wasmachines, stofzuigers, ventilatoren, drones, enz.
En hoewel het idee van het werkingsprincipe van een borstelloze motor al in het begin van de 19e eeuw tot uitdrukking kwam, wachtte het in de coulissen tot het begin van het halfgeleidertijdperk, toen de technologieën klaar werden voor de praktische implementatie van dit interessante en efficiënte concept, waardoor borstelloze gelijkstroommotoren net zo breed konden lopen als tegenwoordig. …
In de Engelse versie worden ze motoren van dit type genoemd BLDC-motor — Borstelloze gelijkstroommotoren - borstelloze gelijkstroommotor. De motorrotor bevat permanente magneten, en de werkende wikkelingen bevinden zich op de stator, dat wil zeggen, het BLDC-motorapparaat is volledig tegengesteld aan wat er in de klassieke borstelmotor zit. De BLDC-motor wordt bestuurd door een elektronische controller genaamd ESC — Elektronische snelheidsregelaar — elektronische cruisecontrol.
Elektronische regelaar en hoog rendement
Dankzij de elektronische regelaar kan de elektrische energie die aan de borstelloze motor wordt geleverd, soepel worden gevarieerd. In tegenstelling tot eenvoudigere versies van resistieve snelheidsregelaars, die simpelweg het vermogen beperken door een ohmse belasting in serie te schakelen met de motor, die overtollig vermogen omzet in warmte, biedt elektronische snelheidsregeling een aanzienlijk hogere efficiëntie zonder verspilling van het geleverde elektrische vermogen aan onnodige verwarming. ..
Borstelloze DC-motor kan worden geclassificeerd als zelfsynchroniserende synchrone motor, waar een vonkend knooppunt dat regelmatig onderhoud vereist, volledig is uitgeschakeld - verzamelaar… De functie van de collector wordt overgenomen door de elektronica, waardoor het hele ontwerp van het product sterk vereenvoudigd en compacter wordt.
De borstels zijn eigenlijk vervangen door elektronische schakelaars, waarbij de verliezen veel kleiner zijn dan bij mechanisch schakelen. Krachtige neodymiummagneten op de rotor zorgen voor meer koppel op de as. En zo'n motor warmt minder op dan zijn verzamelaar-voorganger.
Als gevolg hiervan is de efficiëntie van de motor het beste en is het vermogen per kilogram gewicht hoger, plus een vrij breed scala aan rotorsnelheidsregeling en bijna volledige afwezigheid van gegenereerde radiostoring. Structureel zijn motoren van dit type gemakkelijk aangepast om te werken in water en in agressieve omgevingen.
De elektronische besturingseenheid is een zeer belangrijk en duur onderdeel van een borstelloze gelijkstroommotor, maar kan niet worden weggelaten.Van dit apparaat ontvangt de motor vermogen, waarvan de parameters tegelijkertijd van invloed zijn op zowel de snelheid als het vermogen dat de motor onder belasting kan ontwikkelen.
Zelfs als de rotatiesnelheid niet hoeft te worden aangepast, is nog steeds een elektronische regeleenheid nodig, omdat deze niet alleen de regelfunctie vervult, maar ook een voedingscomponent heeft. We kunnen zeggen dat ESC een analoog is van frequentieregelaar voor asynchrone AC-motorenspeciaal ontworpen voor het aandrijven en regelen van een borstelloze gelijkstroommotor.
BLDC-motorbesturing
Laten we, om te begrijpen hoe een BLDC-motor wordt bestuurd, eerst onthouden hoe een commutatormotor werkt. In de kern het principe van rotatie van het frame met een stroom in een magnetisch veld.
Elke keer dat het frame met de stroom draait en een evenwichtspositie vindt, verandert de commutator (de borstels die tegen de collector worden gedrukt) de richting van de stroom door het frame en gaat het frame verder. Dit proces wordt herhaald terwijl het frame van paal naar paal beweegt. Alleen in de collectormotor zijn er veel van dergelijke frames en zijn er meerdere paren magnetische polen, daarom bevat de borstelcollector niet twee contacten, maar veel.
ECM doet hetzelfde. Het keert de polariteit van het magnetische veld om zodra de rotor uit de evenwichtsstand moet wegdraaien. Alleen wordt de stuurspanning niet aan de rotor geleverd, maar aan de statorwikkelingen en dit gebeurt met behulp van halfgeleiderschakelaars op het juiste moment (rotorfasen).
Het is duidelijk dat de stroom naar de statorwikkelingen van een borstelloze motor op het juiste moment moet worden geleverd, dat wil zeggen wanneer de rotor zich in een bepaalde bekende positie bevindt. Gebruik hiervoor een van de volgende methoden.De eerste is gebaseerd op de rotorpositiesensor, de tweede is door de EMF te meten van een van de spoelen die momenteel geen stroom ontvangt.
De sensoren zijn verschillend, magnetisch en optisch, de meest populaire zijn magnetische sensoren Hall-effect… De tweede methode (gebaseerd op EMF-meting), hoewel effectief, laat geen nauwkeurige regeling toe bij lage snelheden en bij het opstarten. Hall-sensoren zorgen daarentegen voor een nauwkeurigere regeling in alle modi. Er zijn drie van dergelijke sensoren in driefasige BLDC-motoren.
Motoren zonder rotorpositiesensoren zijn van toepassing in gevallen waarin de motor start zonder asbelasting (ventilator, propeller, etc.). Als gestart wordt onder belasting, is een motor met rotorpositiesensoren vereist. Beide opties hebben hun voor- en nadelen.
Een oplossing met een sensor wordt een handigere bediening, maar als ten minste één van de sensoren uitvalt, moet de motor worden gedemonteerd, bovendien hebben de sensoren aparte draden nodig. Bij de sensorloze versie zijn geen speciale draden nodig, maar tijdens het opstarten zal de rotor heen en weer zwaaien. Als dit onaanvaardbaar is, is het noodzakelijk om sensoren in het systeem te installeren.
Rotor en stator, aantal fasen
De rotor van een BLDC-motor kan respectievelijk extern of intern zijn en de stator intern of extern. De stator is gemaakt van magnetisch geleidend materiaal, waarbij het aantal tanden volledig is gedeeld door het aantal fasen. De rotor kan zijn gemaakt, niet noodzakelijkerwijs van een magnetisch geleidend materiaal, maar noodzakelijkerwijs met magneten die er stevig aan zijn bevestigd.
Hoe sterker de magneten, hoe groter het beschikbare koppel. Het aantal statortanden mag niet gelijk zijn aan het aantal rotormagneten.Het minimum aantal tanden is gelijk aan het aantal regelfasen.
De meeste moderne borstelloze DC-motoren zijn driefasig, simpelweg vanwege het eenvoudige ontwerp en de besturing. Net als bij AC-inductiemotoren zijn de wikkelingen van de drie fasen hier met de stator verbonden door een "delta" of "ster".
Dergelijke motoren zonder rotorpositiesensoren hebben 3 voedingsdraden en motoren met sensoren hebben 8 draden: twee extra draden voor het voeden van de sensoren en drie voor de signaaluitgangen van de sensoren.
Low-speed externe rotormotoren zijn gemaakt met een groot aantal polen (en dus tanden) per fase om rotatie te verkrijgen met een hoekfrequentie die aanzienlijk lager is dan de frequentie van de stuurstroom. Maar zelfs bij snelle driefasige motoren wordt het aantal tanden van minder dan 9 meestal niet gebruikt.