Børsteløs likestrømsmotor - Brushless DC electric motor

Motoren fra en diskettstasjon på 3,5 tommer. Spolene, radialt anordnet, er laget av kobbertråd belagt med blå isolasjon. Rotoren (øverst til høyre) er fjernet og snudd opp ned. Den grå ringen inne i koppen er en permanent magnet. Denne spesielle motoren er en outrunner , med statoren inne i rotoren.
DC børsteløs kanalvifte . De to spolene på kretskortet samhandler med seks runde permanente magneter i viftemodulen.

En børsteløs DC elektrisk motor ( BLDC motor eller BL motor ), også kjent som en elektronisk kommutert motor ( ECM eller EC-motor ) eller synkron likestrømsmotor , er en synkronmotor ved hjelp av en likestrøm (DC) elektrisk strømforsyning. Den bruker en elektronisk lukket sløyfe -kontroller for å bytte likestrøm til motorviklingene som produserer magnetfelt som effektivt roterer i verdensrommet og som den permanente magnetrotoren følger. Kontrolleren justerer fasen og amplituden til likestrømspulsene for å kontrollere hastigheten og dreiemomentet til motoren. Dette kontrollsystemet er et alternativ til den mekaniske kommutatoren (børster) som brukes i mange konvensjonelle elektriske motorer.

Konstruksjonen til et børsteløst motorsystem ligner vanligvis på en permanentmagnet -synkronmotor (PMSM), men kan også være en svitsjet motvillighetsmotor eller en induksjonsmotor (asynkron) . De kan også bruke neodymmagneter og være utløpere (statoren er omgitt av rotoren), innløpere (rotoren er omgitt av statoren) eller aksial (rotoren og statoren er flate og parallelle).

Fordelene med en børsteløs motor fremfor børstede motorer er høy effekt / vekt-forhold, høy hastighet, nesten øyeblikkelig kontroll av turtall (rpm) og dreiemoment, høy effektivitet og lite vedlikehold. Børsteløse motorer finner applikasjoner på steder som datamaskinutstyr (diskstasjoner, skrivere), håndholdte elektroverktøy og kjøretøyer som strekker seg fra modellfly til biler. I moderne vaskemaskiner har børsteløse likestrømsmotorer tillatt utskifting av gummibelter og girkasser med en direktedrevet design.

Bakgrunn

Børstede likestrømsmotorer ble oppfunnet på 1800 -tallet og er fremdeles vanlige. Børsteløse DC -motorer ble muliggjort av utviklingen av solid state -elektronikk på 1960 -tallet.

En elektrisk motor utvikler dreiemoment ved å holde magnetfeltene til rotoren (den roterende delen av maskinen) og statoren (den faste delen av maskinen) feiljustert. Ett eller begge sett med magneter er elektromagneter , laget av en trådspole viklet rundt en jernkjerne. Likestrøm som går gjennom trådviklingen skaper magnetfeltet og gir kraften som driver motoren. Feiljusteringen genererer et dreiemoment som prøver å justere feltene på nytt. Når rotoren beveger seg, og feltene kommer på linje, er det nødvendig å flytte enten rotorens eller statorens felt for å opprettholde feiljusteringen og fortsette å generere dreiemoment og bevegelse. Enheten som flytter feltene basert på rotorens posisjon kalles en kommutator.

Penselkommutator

I børstede motorer gjøres dette med en dreiebryter på motorens aksel som kalles en kommutator . Den består av en roterende sylinder delt inn i flere metallkontaktsegmenter på rotoren. Segmentene er koblet til lederviklinger på rotoren. To eller flere stasjonære kontakter kalt børster , laget av en myk leder som grafitt , presser mot kommutatoren og får glidende elektrisk kontakt med påfølgende segmenter når rotoren svinger. Børstene gir selektivt elektrisk strøm til viklingene. Når rotoren roterer, velger kommutatoren forskjellige viklinger og retningsstrømmen påføres en gitt vikling slik at rotorens magnetfelt forblir feiljustert med statoren og skaper et dreiemoment i en retning.

Ulemper med kommutator

Kommutatoren har ulemper som har ført til en nedgang i bruk av børstede motorer. Disse ulempene er:

  • Den friksjon av børstene glir langs de roterende kommutator segmentene medfører effekttap som kan være viktig i en motor med liten effekt.
  • Det myke børstematerialet slites ned på grunn av friksjon, skaper støv, og til slutt må børstene skiftes ut. Dette gjør kommuterte motorer uegnet for applikasjoner med lav partikkelformighet eller forsegling som harddiskmotorer , og for applikasjoner som krever vedlikeholdsfri drift.
  • Den elektriske motstanden til glidebørstekontakten forårsaker et spenningsfall i motorkretsen kalt børstedråpe som bruker energi.
  • Den gjentatte plutselige vekslingen av strømmen gjennom induktansen til viklingene forårsaker gnister ved kommutatorkontaktene, som er en brannfare i eksplosiv atmosfære og en kilde til elektronisk støy , som kan forårsake elektromagnetisk interferens i nærliggende mikroelektroniske kretser.

I løpet av de siste hundre årene ble DC-børstede motorer med høy effekt, en gang industriens bærebjelke, erstattet av synkronmotorer med vekselstrøm (AC) . I dag brukes børstede motorer bare i applikasjoner med lav effekt eller der bare DC er tilgjengelig, men de ovennevnte ulempene begrenser bruken selv i disse applikasjonene.

Børsteløs løsning

I børsteløse DC -motorer erstatter et elektronisk servosystem de mekaniske kommutatorkontaktene. En elektronisk sensor oppdager vinkelen til rotoren og styrer halvlederbrytere som transistorer som bytter strøm gjennom viklingene, enten reverserer strømretningen eller, i noen motorer slår den av, i riktig vinkel slik at elektromagneter skaper dreiemoment i en retning. Eliminering av glidekontakten tillater børsteløse motorer å ha mindre friksjon og lengre levetid; deres arbeidsliv er bare begrenset av levetiden til lagrene .

Børstede likestrømsmotorer utvikler et maksimalt dreiemoment når de står stille, lineært synker når hastigheten øker. Noen begrensninger for børstede motorer kan overvinnes av børsteløse motorer; de inkluderer høyere effektivitet og lavere følsomhet for mekanisk slitasje. Disse fordelene kommer på bekostning av potensielt mindre robust, mer kompleks og dyrere kontrollelektronikk.

En typisk børsteløs motor har permanente magneter som roterer rundt en fast anker , og eliminerer problemer forbundet med å koble strøm til den bevegelige ankeret. En elektronisk kontroller erstatter kommutatorsamlingen til den børstede likestrømsmotoren, som kontinuerlig bytter fase til viklingene for å holde motoren i gang. Kontrolleren utfører lignende tidsstyrt strømfordeling ved å bruke en solid-state krets i stedet for kommutatorsystemet.

Børsteløse motorer gir flere fordeler i forhold til børstede likestrømsmotorer, inkludert høyt forhold mellom dreiemoment og vekt, økt effektivitet som gir mer dreiemoment per watt , økt pålitelighet, redusert støy, lengre levetid ved å eliminere børste- og kommutatorerosjon, eliminering av ioniserende gnister fra kommutatoren, og en generell reduksjon av elektromagnetisk interferens (EMI). Uten viklinger på rotoren utsettes de ikke for sentrifugalkrefter, og fordi viklingene støttes av huset, kan de avkjøles ved ledning, og krever ingen luftstrøm inne i motoren for kjøling. Dette betyr igjen at motorens indre kan være helt lukket og beskyttet mot smuss eller andre fremmedlegemer.

Børsteløs motorkommutasjon kan implementeres i programvare ved hjelp av en mikrokontroller , eller kan alternativt implementeres ved bruk av analoge eller digitale kretser. Kommutering med elektronikk i stedet for børster gir større fleksibilitet og muligheter som ikke er tilgjengelige med børstede likestrømsmotorer, inkludert hastighetsbegrensning, mikrosteg -operasjon for langsom og fin bevegelseskontroll, og et holdemoment når den står stille. Kontrollprogramvare kan tilpasses den spesifikke motoren som brukes i programmet, noe som resulterer i større kommuteringseffektivitet.

Maksimal effekt som kan påføres en børsteløs motor begrenses nesten utelukkende av varme; for mye varme svekker magnetene og vil skade viklingenes isolasjon.

Ved konvertering av elektrisitet til mekanisk kraft er børsteløse motorer mer effektive enn børstede motorer hovedsakelig på grunn av fravær av børster, noe som reduserer mekanisk energitap på grunn av friksjon. Den forbedrede effektiviteten er størst i områdene uten belastning og lav belastning i motorens ytelseskurve.

Miljøer og krav der produsenter bruker børsteløse DC-motorer inkluderer vedlikeholdsfri drift, høye hastigheter og drift der gnist er farlig (dvs. eksplosive miljøer) eller kan påvirke elektronisk sensitivt utstyr.

Konstruksjonen til en børsteløs motor ligner en trinnmotor, men motorene har viktige forskjeller på grunn av forskjeller i implementering og drift. Mens trinnmotorer ofte stoppes med rotoren i en definert vinkelstilling, er en børsteløs motor vanligvis beregnet til å produsere kontinuerlig rotasjon. Begge motortypene kan ha en rotorposisjonssensor for intern tilbakemelding. Både en trinnmotor og en godt designet børsteløs motor kan holde et begrenset dreiemoment på null o / min.

Kontrollimplementeringer

Fordi kontrolleren Hengslet de tradisjonelle børstene i forhold til funksjon det er behov for å vite rotorens orientering i forhold til statoren spoler. Dette er automatisk i en børstet motor på grunn av den faste geometrien til rotorakselen og børstene. Noen design bruker Hall -effekt sensorer eller en roterende encoder for å måle rotorens posisjon direkte. Andre måler back-EMF i de ikke-drevne spolene for å utlede rotorposisjonen, og eliminerer behovet for separate Hall-effekt sensorer. Disse kalles derfor ofte sensorløse kontrollere.

Kontrollere som registrerer rotorposisjon basert på back-EMF har ekstra utfordringer med å starte bevegelse fordi det ikke produseres back-EMF når rotoren står stille. Dette oppnås vanligvis ved å begynne rotasjon fra en vilkårlig fase, og deretter hoppe til riktig fase hvis det viser seg å være feil. Dette kan føre til at motoren går bakover kort, noe som gir oppstartssekvensen enda mer kompleksitet. Andre sensorløse kontrollere er i stand til å måle viklingsmetning forårsaket av posisjonen til magnetene for å utlede rotorposisjonen.

En typisk kontroller inneholder tre polaritets-reversible utganger som styres av en logisk krets. Enkle kontrollere bruker komparatorer som jobber fra orienteringssensorene for å bestemme når utgangsfasen skal avanseres. Mer avanserte kontrollere bruker en mikrokontroller for å håndtere akselerasjon, kontrollere motorhastighet og finjustere effektiviteten.

To sentrale ytelsesparametere for børsteløse likestrømsmotorer er motorkonstantene (dreiemomentskonstant) og ( rygg-EMF- konstant, også kjent som hastighetskonstant ).

Variasjoner i konstruksjon

Skjematisk for delta og wye svingete stiler. (Dette bildet illustrerer ikke motorens induktive og generatorlignende egenskaper)

Børsteløse motorer kan konstrueres i flere forskjellige fysiske konfigurasjoner. I den konvensjonelle inrunner -konfigurasjonen er de permanente magneter en del av rotoren. Tre statorviklinger omgir rotoren. I den eksterne rotor- utløperkonfigurasjonen er det radielle forholdet mellom spolene og magneter reversert; statorspolene danner sentrum (kjernen) av motoren, mens de permanente magneter snurrer i en overhengende rotor som omgir kjernen. Outrunners har vanligvis flere poler, satt opp i trillinger for å opprettholde de tre gruppene viklinger, og har et høyere dreiemoment ved lave turtall. I typen flat axial flux , brukt der det er plass- eller formbegrensninger, monteres stator- og rotorplater ansikt til ansikt. I alle børsteløse motorer er spolene stasjonære.

Det er to vanlige elektriske viklingskonfigurasjoner; delta-konfigurasjonen kobler tre viklinger til hverandre i en trekantlignende krets, og strøm tilføres på hver av tilkoblingene. Wye ( Y -formet) konfigurasjonen, noen ganger kalt en stjernevikling, kobler alle viklingene til et sentralt punkt, og strøm tilføres den gjenværende enden av hver vikling.

En motor med viklinger i deltakonfigurasjon gir lavt dreiemoment ved lav hastighet, men kan gi høyere topphastighet. Wye -konfigurasjon gir høyt dreiemoment ved lav hastighet, men ikke like høy toppfart.

Selv om virkningsgraden er sterkt påvirket av motorens konstruksjon, er wye -viklingen normalt mer effektiv. I delta-tilkoblede viklinger påføres halv spenning over viklingene ved siden av den drevne ledningen (sammenlignet med viklingen direkte mellom de drevne ledningene), noe som øker resistive tap. I tillegg kan viklinger tillate høyfrekvente parasittiske elektriske strømmer å sirkulere helt i motoren. En Wye-tilkoblet vikling inneholder ikke en lukket sløyfe der parasittstrømmer kan strømme, noe som forhindrer slike tap.

Fra et kontrollers synspunkt kan de to viklingskonfigurasjonene behandles nøyaktig det samme.

applikasjoner

De fire polene på statoren til en tofaset børsteløs motor. Dette er en del av en datamaskin kjølevifte ; rotoren er fjernet.

Børsteløse motorer oppfyller mange funksjoner som opprinnelig ble utført av børstede likestrømsmotorer, men kostnad og kontrollkompleksitet forhindrer børsteløse motorer i å erstatte børstede motorer helt i områdene med lavest kostnad. Likevel har børsteløse motorer kommer til å dominere mange programmer, spesielt enheter som PC -harddisker og CD / DVD-spillere. Små kjølevifter i elektronisk utstyr drives utelukkende av børsteløse motorer. De finnes i trådløse elektroverktøy der motorens økte effektivitet fører til lengre brukstid før batteriet må lades. Børsteløse motorer med lav hastighet og lav effekt brukes i direkte-dreie-platespillere for grammofonplater .

Transportere

Børsteløse motorer finnes i elektriske biler , hybridbiler , personlige transportører og elektriske fly . De fleste elsykler bruker børsteløse motorer som noen ganger er innebygd i selve hjulnavet, med statoren festet solid til akselen og magneter festet til og roterende med hjulet. Det samme prinsippet gjelder for selvbalanserende scooterhjul . De fleste elektrisk drevne RC -modeller bruker børsteløse motorer på grunn av deres høye effektivitet.

Trådløse verktøy

Børsteløse motorer finnes i mange moderne batteridrevne verktøy, inkludert noen strengtrimmere , løvblåsere , sager ( sirkulære eller frem- og tilbakegående ) og bor / drivere . Fordelene med børsteløs fremfor børstede motorer (lav vekt, høy effektivitet) er viktigere for håndholdte, batteridrevne verktøy enn for store, stasjonære verktøy som er koblet til en stikkontakt, så opptaket har vært raskere i det segmentet av markedet.

Varme og ventilasjon

Det er en trend innen varme-, ventilasjons- og klimaanlegg (HVAC) og kjøleindustrien å bruke børsteløse motorer i stedet for forskjellige typer vekselstrømsmotorer . Den viktigste grunnen til å bytte til en børsteløs motor er den dramatiske reduksjonen i effekten som kreves for å bruke dem mot en typisk vekselstrømsmotor. Mens skyggepolede og permanente splittede kondensatormotorer en gang dominerte som motor for vifter, kjøres mange vifter nå med en børsteløs motor. Noen vifter bruker også børsteløse motorer for å øke den generelle systemeffektiviteten.

I tillegg til den børsteløse motorens høyere effektivitet, bruker HVAC-systemer (spesielt de med variabel hastighet og/eller belastningsmodulasjon) børsteløse motorer fordi den innebygde mikroprosessoren gir mulighet for programmerbarhet, kontroll over luftstrøm og seriell kommunikasjon. Noen takvifter og bærbare vifter har også denne motoren. De annonserer at motoren er svært energieffektiv og roligere enn de fleste fans.

Industriell ingeniørfag

Anvendelsen av børsteløse likestrømsmotorer innen industriteknikk fokuserer først og fremst på produksjonsteknikk eller industriell automatisering . Ved produksjon brukes børsteløse motorer hovedsakelig til bevegelseskontroll , posisjonering eller aktiveringssystemer .

Børsteløse motorer er ideelt egnet for produksjonsapplikasjoner på grunn av deres høye effekttetthet, gode egenskaper for hastighetsmoment, høy effektivitet, brede turtallsområder og lite vedlikehold. De vanligste bruksområdene for børsteløse likestrømsmotorer i industriteknikk er lineære motorer, servomotorer , aktuatorer for industriroboter, ekstruderingsmotorer og matedrev for CNC -maskinverktøy.

Bevegelseskontrollsystemer

Børsteløse motorer brukes ofte som pumpe-, vifte- og spindeldrev i applikasjoner med justerbar eller variabel hastighet, ettersom de er i stand til å utvikle høyt dreiemoment med god hastighetsrespons. I tillegg kan de enkelt automatiseres for fjernkontroll. På grunn av konstruksjonen har de gode termiske egenskaper og høy energieffektivitet. For å oppnå en respons med variabel hastighet, opererer børsteløse motorer i et elektromekanisk system som inkluderer en elektronisk motorstyring og en rotorposisjon tilbakemeldingssensor.

Børsteløse DC -motorer er mye brukt som servomotorer for servodrev. Servomotorer brukes til mekanisk forskyvning, posisjonering eller presisjonsbevegelseskontroll. DC stepper motorer kan også brukes som servomotorer; siden de opereres med åpen sløyfekontroll , viser de imidlertid typisk dreiemomentpulsasjoner. Børsteløse DC -motorer er mer egnet som servomotorer siden deres presise bevegelse er basert på et lukket sløyfe -kontrollsystem som gir tett kontrollert og stabil drift.

Posisjons- og aktiveringssystemer

Børsteløse motorer brukes i industrielle posisjonerings- og aktiveringsapplikasjoner. For monteringsroboter brukes børsteløse trinn- eller servomotorer for å plassere en del for montering eller et verktøy for en produksjonsprosess, for eksempel sveising eller maling. Børsteløse motorer kan også brukes til å drive lineære aktuatorer.

Motorer som direkte produserer lineær bevegelse kalles lineære motorer . Fordelen med lineære motorer er at de kan produsere lineær bevegelse uten behov for et overføringssystem , for eksempel kuleskruer , blyskruer , tannhjul , kam , tannhjul eller belter, som ville være nødvendige for roterende motorer. Overføringssystemer er kjent for å introdusere mindre respons og redusert nøyaktighet. Direkte kjøring, børsteløse DC -lineære motorer består av en slisset stator med magnetiske tenner og en bevegelig aktuator, som har permanente magneter og spoleviklinger. For å oppnå lineær bevegelse, begeistrer en motorkontroller spolevindingene i aktuatoren og forårsaker en interaksjon mellom magnetfeltene som resulterer i lineær bevegelse. Rørformede lineære motorer er en annen form for lineær motordesign som drives på lignende måte.

Aeromodelling

En mikroprosessorstyrt BLDC-motor som driver et mikroradiostyrt fly. Denne eksterne rotormotoren veier 5 g og bruker omtrent 11 W.

Børsteløse motorer har blitt et populært motorvalg for modellfly inkludert helikoptre og droner . Deres gunstige effekt-til-vekt-forhold og et bredt spekter av tilgjengelige størrelser, fra under 5 gram til store motorer med en god effekt på kilowatt- effektområdet, har revolusjonert markedet for elektrisk drevet modellflyging, og har fortrengt nesten alle børstede elektriske motorer, unntatt for lavdrevne, ofte ofte fly av leketøysklasse. De har også oppmuntret til vekst av enkle, lette elektriske modellfly, i stedet for de tidligere forbrenningsmotorene som driver større og tyngre modeller. Det økte kraft-til-vekt-forholdet mellom moderne batterier og børsteløse motorer gjør at modeller kan stige vertikalt, i stedet for å klatre gradvis. Den lave støy og mangel på masse i forhold til små glødebrensel forbrenningsmotorer er en annen årsak til deres popularitet.

Juridiske begrensninger for bruk av forbrenningsmotordrevne modellfly i noen land, oftest på grunn av potensial for støyforurensning- selv med spesialdesignede lyddempere for nesten alle modellmotorer som er tilgjengelige i løpet av de siste tiårene-har også støttet overgangen til høy -makt elektriske systemer.

Radiostyrte biler

Populariteten deres har også økt i det radiostyrte (RC) bilområdet . Børsteløse motorer har vært lovlige i nordamerikansk RC-bilracing i samsvar med Radio Operated Auto Racing (ROAR) siden 2006. Disse motorene gir stor mengde kraft til RC-racere og, hvis de er paret med passende gir og litiumpolymer med høy utladning (Li -PO) eller litium jern fosfat (LiFePO4) batterier, kan disse bilene oppnå hastigheter over 160 km i timen (99 mph).

Børsteløse motorer er i stand til å produsere mer dreiemoment og har en raskere topprotasjonshastighet sammenlignet med nitro- eller bensindrevne motorer. Nitro -motorer har en topp på rundt 46 800 r/min og 2,2 kilowatt (3,0 hk), mens en mindre børsteløs motor kan nå 50 000 r/min og 3,7 kilowatt (5,0 hk). Større børsteløse RC-motorer kan nå opp til 10 kilowatt (13 hk) og 28 000 r/min for å drive en femtedels skala.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker