artikkeli
Pete Millett
hanki arvokkaita resursseja suoraan sähköpostiisi-lähetetään kerran kuukaudessa
arvostamme yksityisyyttäsi
Johdanto
monissa liikkeenohjaussovelluksissa käytetään kestomagneettisia tasavirtamoottoreita. Koska tasavirtamoottoreita käyttävien ohjausjärjestelmien toteuttaminen on helpompaa kuin VAIHTOVIRTAMOOTTOREITA, niitä käytetään usein silloin, kun nopeutta, vääntömomenttia tai asentoa on hallittava.
yleisesti käytettyjä tasavirtamoottoreita on kahdenlaisia: harjattuja moottoreita ja harjattomia moottoreita (tai BLDC-moottoreita). Nimensä mukaisesti DC-harjatuissa moottoreissa on harjat, joiden avulla moottori saadaan pyörimään. Harjattomat moottorit korvaavat mekaanisen työmatkatoiminnon elektronisella ohjauksella.
monissa sovelluksissa voidaan käyttää joko harjattua tai harjatonta TASAVIRTAMOOTTORIA. Ne toimivat perustuu samoihin periaatteisiin vetovoima ja hylkimisreaktio kelojen ja kestomagneetteja. Molemmilla on etuja ja haittoja, jotka voivat aiheuttaa voit valita yhden yli muiden, riippuen sovelluksen vaatimukset.
DC-harjatut moottorit
DC-harjatut moottorit (Maxon Groupin kuva)
tasavirtamoottorit käyttävät langasta tehtyjä kiemuroita magneettikentän luomiseen. Harjatussa moottorissa nämä käämit voivat vapaasti pyöriä akselin vetämiseksi-ne ovat moottorin osa, jota kutsutaan ”roottoriksi”. Yleensä käämit kiedotaan rautasydämen ympärille, joskin on olemassa myös harjattuja moottoreita, jotka ovat” korittomia”, joissa käämi on itsekantava.
Moottorin kiinteää osaa kutsutaan ”staattoriksi”. Kestomagneetteja käytetään stationäärisen magneettikentän tuottamiseen. Normaalisti nämä magneetit on sijoitettu staattorin sisäpinnalle roottorin ulkopuolelle.
saadakseen aikaan vääntömomentin, joka saa roottorin pyörimään, roottorin magneettikentän on pyörittävä jatkuvasti niin, että sen kenttä vetää puoleensa ja torjuu staattorin kiinteän kentän. Kentän pyörittämiseen käytetään liukuvaa sähkökytkintä. Kytkin koostuu kommutaattorista, joka on tyypillisesti roottoriin asennettu segmentoitu kontakti, ja staattoriin asennetuista kiinteistä harjoista.
roottorin kääntyessä kommutaattori kytkee jatkuvasti päälle ja pois erilaisia roottorin käämejä. Tämä aiheuttaa roottorin käämien jatkuvan vetovoiman ja hylkimisen staattorin kiinteistä magneeteista,mikä saa roottorin pyörimään.
koska harjojen ja kommutaattorin välillä on jonkin verran mekaanista kitkaa – ja koska se on sähköinen kontakti, sitä ei yleensä voida voidella – harjat ja kommutaattori kuluvat mekaanisesti koko moottorin käyttöiän ajan. Kuluminen saavuttaa lopulta pisteen, jossa moottori ei enää toimi. Monissa harjatuissa moottoreissa-varsinkin suurissa-on vaihdettavat, tyypillisesti hiilestä valmistetut harjat, jotka on suunniteltu pitämään hyvä kosketus kulumisena. Nämä moottorit vaativat säännöllistä huoltoa. Vaihdettavillakin siveltimillä lopulta myös kommutaattori kuluu siihen pisteeseen, että moottori on vaihdettava.
harjatun Moottorin ajamiseksi harjojen yli levitetään tasajännitettä, joka siirtää virran roottorin käämien läpi moottorin pyörimiseksi.
tapauksissa, joissa pyörimistä tarvitaan vain yhteen suuntaan eikä nopeutta tai vääntömomenttia tarvitse säätää, harjatussa moottorissa ei tarvita lainkaan käyttöelektroniikkaa. Tällaisissa sovelluksissa tasajännite kytketään päälle ja pois, jotta moottori käy tai pysähtyy. Tämä on tyypillistä edullisissa sovelluksissa, kuten moottoroiduissa leluissa. Jos peruutus on tarpeen, se voidaan toteuttaa käyttämällä kaksinapainen kytkin.
nopeuden, vääntömomentin ja suunnan säätämisen helpottamiseksi käytetään elektronisista kytkimistä-transistoreista, IGBT: istä tai Mosfeteistä – koostuvaa ”h – siltaa”, jonka avulla moottoria voidaan ajaa kumpaan suuntaan tahansa. Tällöin jännite voidaan kohdistaa moottoriin jommassakummassa napaisuudessa, jolloin moottori pyörii vastakkaisiin suuntiin. Moottorin kierrosnopeutta tai vääntömomenttia voidaan säädellä pulssinleveyttä moduloimalla yhtä kytkintä.
harjattomat tasavirtamoottorit
harjattomat tasavirtamoottorit (Maxon Groupin kuva)
harjattomat tasavirtamoottorit toimivat samalla magneettisen vetovoiman ja vastenmielisyyden periaatteella kuin harjamoottorit, mutta ne on rakennettu hieman eri tavalla. Mekaanisen kommutaattorin ja harjojen sijaan staattorin magneettikenttää pyöritetään elektronisen kommutoinnin avulla. Tämä edellyttää aktiivisen ohjauselektroniikan käyttöä.
harjattomassa moottorissa roottoriin on kiinnitetty kestomagneetit ja staattoriin käämit. Harjattomat moottorit voidaan rakentaa siten, että roottori on sisäpuolella, kuten edellä on esitetty, tai että roottori on käämien ulkopuolella (kutsutaan joskus ”outrunner” – moottoriksi).
harjattomassa moottorissa käytettävien käämien määrää kutsutaan vaiheiden lukumääräksi. Vaikka harjattomia moottoreita voidaan rakentaa eri määrä vaiheita, kolmivaiheiset harjattomat moottorit ovat yleisimpiä. Poikkeuksena ovat pienet jäähdytystuulettimet, jotka voivat käyttää vain yhtä tai kahta vaihetta.
harjattoman moottorin kolme käämiä on kytketty toisiinsa joko” tähden ”tai” Deltan ” konfiguraatiossa. Kummassakin tapauksessa moottoriin on kytketty kolme johtoa, ja käyttötekniikka ja aaltomuoto ovat identtiset.
kolmivaiheisilla moottoreilla voidaan rakentaa erilaisia magneettisia konfiguraatioita, joita kutsutaan napoiksi. Yksinkertaisimmissa 3-vaihemoottoreissa on kaksi napaa: roottorissa on vain yksi magneettinapapari, yksi pohjoiseen ja yksi etelään. Moottoreita voidaan myös rakentaa enemmän napoja, mikä vaatii enemmän magneettisia osia roottoriin ja enemmän käämejä staattoriin. Suurempi napaluku voi tarjota paremman suorituskyvyn, vaikka erittäin suuret nopeudet saavutetaan paremmin pienemmillä napaluvuilla.
kolmivaiheisella harjattomalla moottorilla ajettaessa jokainen kolmesta vaiheesta on voitava ajaa joko tulon syöttöjännitteelle tai maahan. Tämän saavuttamiseksi käytetään kolmea” half bridge ” – käyttöpiiriä, joista jokainen koostuu kahdesta kytkimestä. Kytkimet voivat olla bipolaaritransistoreita, IGBT: itä tai mosfetejä riippuen tarvittavasta jännitteestä ja virrasta.
kolmivaiheisille harjattomille Moottoreille voidaan käyttää useita käyttötekniikoita. Yksinkertaisinta kutsutaan puolisuunnikkaaksi, lohkoksi tai 120 asteen kommutaatioksi. Puolisuunnikkaan muotoinen työmatka muistuttaa jonkin verran TASAVIRTAHARJAMOOTTORISSA käytettyä työmatkamenetelmää. Tässä järjestelmässä, milloin tahansa, yksi kolmesta vaiheesta on kytketty maahan, yksi jätetään auki, ja toinen ajetaan Syöttöjännite. Jos tarvitaan nopeuden tai vääntömomentin säätöä, yleensä syöttöön kytketty vaihe on pulssinleveysmoduloitu. Koska vaiheet vaihtuvat äkillisesti jokaisessa työmatkapisteessä, kun roottorin pyörimisliike on vakio, vääntömomentti vaihtelee jonkin verran Moottorin pyöriessä.
paremman suorituskyvyn saavuttamiseksi voidaan käyttää muita työmatkamenetelmiä. Sine eli 180-asteinen työmatka ajaa virran läpi kaikki kolme moottorivaihetta koko ajan. Voimansiirtoelektroniikka tuottaa sinimuotoisen virran, vaikka jokainen vaihe siirtyi 120 astetta toisistaan. Tämä käyttötekniikka minimoi vääntömomentin aaltoilun sekä äänimelun ja tärinän, ja sitä käytetään usein korkean suorituskyvyn tai korkean hyötysuhteen asemiin.
kentän pyörittämiseksi oikein ohjauselektroniikan on tiedettävä roottorissa olevien magneettien fyysinen sijainti staattoriin nähden. Usein sijaintitiedot saadaan staattoriin asennetuilla Halliantureilla. Magneettisen roottorin kääntyessä Hallin anturit havaitsevat roottorin magneettikentän. Käyttöelektroniikka käyttää tätä tietoa kulkemaan virtaa staattorin käämien läpi järjestyksessä, joka saa roottorin pyörimään.
kolmen Hallin anturin avulla puolisuunnikkaan kommutointi voidaan toteuttaa yksinkertaisella kombinaatiologiikalla, joten hienostunutta ohjauselektroniikkaa ei tarvita. Muut työmatkamenetelmät, kuten sinimatkustus, vaativat hieman kehittyneempää ohjauselektroniikkaa ja käyttävät yleensä mikrokontrolleria.
sen lisäksi, että roottorin sijainti voidaan määrittää Hall-antureilla, on olemassa erilaisia menetelmiä, joilla voidaan määrittää roottorin sijainti ilman antureita. Yksinkertaisinta on seurata takana olevaa EMF: ää undrivened-vaiheessa, jotta voidaan aistia magneettikenttä suhteessa staattoriin. Kehittyneempi ohjausalgoritmi, jota kutsutaan Kenttäohjaukseksi tai FOCIKSI, laskee sijainnin roottorivirtojen ja muiden parametrien perusteella. FOC vaatii tyypillisesti melko tehokkaan prosessorin, sillä monet laskelmat on tehtävä hyvin nopeasti. Tämä on tietenkin kalliimpi kuin yksinkertainen puolisuunnikkaan ohjausmenetelmä.
harjatut ja harjattomat moottorit: edut ja haitat
käyttötarkoituksesta riippuen on olemassa syitä, miksi voit valita harjattoman moottorin harjatun moottorin sijaan. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto kunkin moottorityypin tärkeimmistä eduista ja haitoista:
| harjamoottori | Harjaton moottori | |
| elinikä | lyhyt (harjat kuluvat) | pitkä (ei harjoja) |
| nopeus ja kiihtyvyys | keskitaso | Suuri |
| hyötysuhde | keskitaso | Korkea |
| Sähköäänet | äänekäs (pensaskaari) | Hiljainen |
| Äänimelu & vääntömomentin aaltoilu | huono | keskitaso (Puolisuunnikas) tai hyvä (sine) |
| kustannukset | alin | keskikokoinen (lisätty Elektroniikka) |
elinikä
kuten aiemmin mainittiin, yksi harjattujen moottoreiden haitoista on harjojen ja kommutaattorin mekaaninen kuluminen. Erityisesti hiiliharjat ovat uhrautuvia, ja monissa moottoreissa ne on suunniteltu vaihdettavaksi määräajoin osana huolto-ohjelmaa. Myös kommutaattorin pehmeä kupari kuluu pikkuhiljaa siveltimiltä pois ja päätyy lopulta pisteeseen, jossa moottori ei enää toimi. Koska harjattomissa moottoreissa ei ole liikkuvia koskettimia, ne eivät kärsi tästä kulumisesta.
nopeus ja kiihtyvyys
Harjamoottoreiden pyörimisnopeutta voidaan rajoittaa harjoilla ja kommutaattorilla sekä roottorin massalla. Erittäin suurilla nopeuksilla harjasta kommutaattorikosketukseen voi tulla arvaamaton, ja harjan kipinöinti lisääntyy. Useimmat harjatut moottorit käyttävät myös roottorissa laminoitua rautaa, mikä antaa niille suuren pyörimisinertian. Tämä rajoittaa moottorin kiihtyvyys-ja hidastumisnopeuksia. Roottoriin on mahdollista rakentaa harjaton moottori erittäin voimakkailla harvinaisten maametallien magneeteilla, mikä minimoi pyörimisinertian. Se tietysti lisää kustannuksia.
Sähköääni
harjat ja kommutaattori muodostavat eräänlaisen sähkökytkimen. Moottorin pyöriessä kytkimiä avataan ja suljetaan, kun taas roottorin käämien läpi virtaa merkittävä virta, joka on induktiivinen. Tämä johtaa kipinöintiä kontakteja. Tämä tuottaa suuren määrän sähköistä melua, joka voidaan kytkeä herkiksi piireiksi. Kipinöintiä voidaan jonkin verran lieventää lisäämällä kondensaattoreita tai RC: tä harjojen yli, mutta kommutaattorin hetkellinen kytkentä tuottaa aina jonkin verran sähköistä melua.
Äänimelu
harjatut moottorit ovat ”kovassa kytkettävässä” eli virtaa siirretään äkillisesti käämiltä toiselle. Syntyvä vääntömomentti vaihtelee roottorin pyörimisliikkeessä käämien kytkeytyessä päälle ja pois päältä. Harjattomalla moottorilla on mahdollista ohjata käämivirtoja siten, että virta siirtyy vähitellen käämiltä toiselle. Tämä alentaa vääntömomentin aaltoilua,joka on mekaaninen energian pulsaatio roottoriin. Vääntömomentin aaltoilu aiheuttaa tärinää ja mekaanista melua erityisesti pienillä roottorin nopeuksilla.
kustannukset
koska harjattomat moottorit vaativat hienostuneempaa elektroniikkaa, harjattoman voimansiirron kokonaiskustannukset ovat suuremmat kuin harjamoottorin. Vaikka harjaton moottori on yksinkertaisempaa valmistaa kuin harjattu Moottori, koska siitä puuttuvat harjat ja kommutaattori, harjatun Moottorin tekniikka on hyvin kypsää ja valmistuskustannukset ovat alhaiset. Tämä on muuttumassa, kun harjattomat moottorit yleistyvät erityisesti suurten volyymien sovelluksissa, kuten automoottoreissa. Myös elektroniikan, kuten mikrokontrollereiden, hinta laskee edelleen, mikä tekee harjattomista moottoreista houkuttelevampia.
Yhteenveto
kustannusten laskun ja paremman suorituskyvyn vuoksi harjattomat moottorit kasvattavat suosiotaan monissa sovelluksissa. Mutta on vielä paikkoja, joissa harjatut moottorit ovat järkevämpiä.
paljon voidaan oppia tarkastelemalla harjattomien moottoreiden käyttöönottoa autoissa. Vuodesta 2020 lähtien useimmat moottorit, jotka ovat käynnissä aina kun auto on käynnissä – asiat kuten pumput ja puhaltimet – ovat siirtyneet harjatuista moottoreista harjattomiin moottoreihin niiden lisääntyneen luotettavuuden vuoksi. Moottorin ja elektroniikan lisäkustannukset korvaavat enemmän kuin pienemmän kenttävikojen määrän ja vähentyneet huoltotarpeet.
sen sijaan harvoin käytettävät moottorit – esimerkiksi virtaistuimia ja sähköikkunoita siirtävät moottorit – ovat säilyneet pääosin harjamoottoreina. Perusteluna on, että kokonaiskäyttöaika auton käyttöiän aikana on hyvin pieni, ja on hyvin epätodennäköistä, että moottorit pettäisivät auton käyttöiän aikana.
harjattomien moottoreiden ja niihin liittyvän elektroniikan kustannusten edelleen laskiessa harjattomat moottorit ovat löytämässä tiensä sovelluksiin, jotka ovat perinteisesti olleet harjattujen moottoreiden hallussa. Toisena esimerkkinä automaailmasta, istuinsäätömoottorit high end-korteissa ovat ottaneet käyttöön harjattomat moottorit, koska ne tuottavat vähemmän äänimelua.
Hae teknistä tukea