Dämon Kollektormotor Gleichstrom hat eine Drehstromwicklung am Stator und einen Permanentmagneten am Rotor. Durch die Statorwicklung wird ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, bei dessen Wechselwirkung sich der Magnetrotor zu bewegen beginnt. Um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, wird an die Statorwicklung ein dreiphasiges Spannungssystem angelegt, das eine andere Form haben kann und gebildet wird verschiedene Wege... Bildung von Versorgungsspannungen (Wicklungsumschaltung) für bürstenlosen Motor Gleichstrom wird von speziellen elektronischen Einheiten erzeugt - dem Motorcontroller.

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Im einfachsten Fall werden die Wicklungen paarweise an die Quelle angeschlossen konstante Spannung und wenn sich der Rotor in Richtung des Magnetfeldvektors der Statorwicklung dreht, wird eine Spannung an ein anderes Paar Wicklungen angelegt. In diesem Fall nimmt der Vektor des Statormagnetfelds eine andere Position ein und die Drehung des Rotors wird fortgesetzt. Um den richtigen Moment zum Anschluss der folgenden Wicklungen zu bestimmen, wird ein Rotorlagesensor verwendet, häufiger als andere Hallsensoren.

Mögliche Varianten und Sonderfälle

Heute erhältliche bürstenlose Motoren gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen.

Durch Ausführung Statorwicklung Man unterscheidet Motoren mit klassischer Wicklung auf Stahlkern und Motoren mit hohlzylindrischer Wicklung ohne Stahlkern. Eine klassische Wicklung hat eine viel höhere Induktivität als eine hohlzylindrische Wicklung und dementsprechend eine längere Zeitkonstante. Aus diesem Grund ermöglicht die hohlzylindrische Wicklung einerseits eine dynamischere Änderung des Stroms (und damit des Drehmoments), andererseits beim Betrieb an einem Motorcontroller mit niederfrequenter PWM-Modulation zur Glättung von Stromwelligkeiten , Filterdrosseln größerer Leistung (und dementsprechend größer) erforderlich. Zudem hat eine klassische Wicklung in der Regel ein deutlich höheres magnetisches Klemmmoment sowie einen geringeren Wirkungsgrad als eine hohlzylindrische Wicklung.

Ein weiterer Unterschied, durch den sie geteilt werden verschiedene Modelle Motoren - dies ist die relative Lage von Rotor und Stator - es gibt Motoren mit Innenläufer und Motoren mit Außenläufer. Innenläufermotoren haben im Allgemeinen höhere Drehzahlen und ein geringeres Rotorträgheitsmoment als Außenläufermodelle. Dadurch haben Innenläufermotoren eine höhere Dynamik. Außenläufermotoren haben bei gleichem Motoraußendurchmesser oft ein etwas höheres Drehmoment.

Unterschiede zu anderen Motortypen

Unterschiede zu Kollektor-DCTs. Das Anbringen der Wicklung auf dem Rotor ermöglichte es, die Bürsten und den Kollektor aufzugeben und damit die beweglichen . loszuwerden elektrischer Kontakt, was die Zuverlässigkeit von DPT mit Permanentmagnete... Aus dem gleichen Grund ist die Drehzahl von bürstenlosen Motoren in der Regel deutlich höher als die von Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten. Auf der einen Seite können Sie dadurch erhöhen spezifische Leistung bürstenloser Motor hingegen ist nicht für alle Anwendungen eine so hohe Drehzahl wirklich notwendig

Unterschiede zu Synchronmotoren mit Dauermagneten. Synchronmotoren mit Permanentmagneten am Rotor sind den bürstenlosen DC-Motoren im Aufbau sehr ähnlich, es gibt jedoch eine Reihe von Unterschieden. Erstens vereint der Begriff Synchronmotor viele verschiedene Typen Motoren, die teilweise für den direkten Betrieb aus einem Standardnetz ausgelegt sind Wechselstrom, der andere Teil (zB synchrone Servomotoren) kann nur über Frequenzumrichter (Motorcontroller) betrieben werden. Bürstenlose Motoren, obwohl sie eine dreiphasige Wicklung am Stator haben, erlauben keine direkte Arbeit von der Netzspannung und erfordern zwingend das Vorhandensein einer geeigneten Steuerung. Darüber hinaus können Synchronmotoren mit einer Sinusspannung versorgt werden, während bürstenlose Motoren mit einer sprungförmigen Wechselspannung (Blockkommutierung) versorgt werden können und sogar ihren Einsatz im Nennbetrieb übernehmen.

Wann wird ein bürstenloser Motor benötigt?

Die Antwort auf diese Frage ist ganz einfach - in Fällen, in denen sie gegenüber anderen Motorentypen einen Vorteil hat. Bei Anwendungen, bei denen hohe Drehzahlen gefordert sind, ist beispielsweise ein bürstenloser Motor kaum wegzudenken: über 10.000 U/min. Der Einsatz von bürstenlosen Motoren ist auch dort gerechtfertigt, wo eine lange Lebensdauer des Motors gefordert wird. In Fällen, in denen die Verwendung einer Baugruppe aus einem Motor mit einem Getriebe erforderlich ist, ist der Einsatz von bürstenlosen Motoren mit niedriger Drehzahl (mit einer großen Polzahl) definitiv gerechtfertigt. Bürstenlose Hochgeschwindigkeitsmotoren haben in diesem Fall eine höhere Geschwindigkeit als die Grenze zulässige Geschwindigkeit Getriebe, und aus diesem Grund wird es nicht möglich sein, ihre volle Leistung zu nutzen. Für Anwendungen, bei denen die Motorsteuerung so einfach wie möglich ist (ohne Verwendung eines Motorcontrollers), ist ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor die natürliche Wahl.

Auf der anderen Seite in den Bedingungen erhöhte Temperatur oder erhöhte Strahlung manifestiert sich die Schwäche bürstenlose Motoren - Hall-Sensoren. Standardmodelle von Hall-Effekt-Sensoren haben einen begrenzten Strahlungswiderstand und Betriebstemperaturbereich. Wenn in einer solchen Anwendung dennoch ein bürstenloser Motor eingesetzt werden muss, werden Sonderanfertigungen mit dem Austausch von Hall-Sensoren durch widerstandsfähigere gegen diese Faktoren unumgänglich, was den Preis des Motors und die Lieferzeit erhöht.

Aufgabe Elektromotor erzeugen eine Rotation, die funkgesteuerte Modelle antreibt Oftmals unterscheiden sich die gleichen funkgesteuerten Modelle - Automodelle, Flugzeugmodelle, Schiffsmodelle - stark im Preis - fast 2-mal. Diese Modelle können mit Brushed- und Brushless-Motoren und entsprechenden Reglern ausgestattet werden. Sie müssen wissen, welchen Motor Sie wählen sollen.

Es gibt 2 Haupttypen von Elektromotoren, die in RC-Modellen verwendet werden: gebürstete und bürstenlose.

(gebürstet, gebürstet) ist billiger, aber Modelle mit solchen Motoren entwickeln weniger Geschwindigkeit und solche Motoren sind weniger zuverlässig.

Das charakteristische Merkmal der Kollektormotoren ist das Vorhandensein der Bürsten-Kollektor-Einheit, die die Bewegung des funkgesteuerten Modells gewährleistet. Der Hauptunterschied zwischen einem Bürstenmotor und einem bürstenlosen Motor besteht darin, dass er zwei statt drei Drähte hat. Der Kollektormotor besteht aus einem beweglichen Teil - einem Rotor und einem festen Teil - einem Stator (Körper). Der Kollektor ist ein am Rotor angebrachter Kontaktsatz und die Bürsten sind Schleifkontakte, die sich außerhalb des Rotors befinden und gegen den Kollektor gedrückt werden. Der Rotor mit Wicklungen dreht sich im Stator. Bürsten werden verwendet, um elektrische Energie auf die Spulen der rotierenden Rotorwicklungen zu übertragen. Herkömmliche Bürstenmotoren haben nur zwei Drähte (positiv und negativ), die den Motor mit dem Drehzahlregler verbinden.

Die in RC-Modellen verwendeten Bürstenmotoren werden mit Gleichstrom betrieben. Durch Anlegen der entsprechenden Spannung an die beiden Drähte des Motors aus einer Gleichstromquelle, beispielsweise einer herkömmlichen Batterie oder einem Akku, setzen wir beispielsweise die Motorwelle in Bewegung. Die Regelschaltung für den Kollektormotor ist einfach, was auch die Kosten einer solchen Konfiguration reduziert. Der Rotor des Motors beschleunigt das an den Wicklungen erzeugte Magnetfeld. Die Stärke dieses Feldes hängt von der an die Wicklungen angelegten Spannung ab. Je größer das Magnetfeld ist, desto schneller dreht sich der Rotor. Der Motor gibt normalerweise die Anzahl der Umdrehungen der Motorwicklung an, je niedriger die Zahl, desto höher die Drehzahl der Motorwelle.
Zu den Vorteilen von Bürstenmotoren funkgesteuerte Modelle zu unterscheiden: geringe Größe, Gewicht, sowie relativ kostengünstig... Daher wird dieser Motortyp am häufigsten in Budget Ausstattungsvarianten Modelle oder in Modellen Einstiegslevel... Wenn wir über die Zuverlässigkeit eines Bürstenmotors sprechen, ist er einem bürstenlosen Motor weit unterlegen. Bei aller Einfachheit haben sie einen großen Nachteil - eine begrenzte Ressource. Das Vorhandensein einer Bürsten-Kollektor-Einheit impliziert Mechanisches System bewegliche Kontakte, das heißt mechanische Arbeit Bürsten und Kollektor können bei Überhitzung zu Funkenbildung und bei ungünstige Bedingungen Betrieb (Feuchtigkeit, Schmutz, Staub). Beim Betrieb von Kollektormotoren tritt allmählicher Verschleiß auf Graphitbürsten und das Metall des Kollektors, auf dem die Bürsten gleiten und früher oder später versagen. Vor Inbetriebnahme des Modells ist es ratsam, den Motor mit reduzierter Last einlaufen zu lassen, damit die Bürsten richtig am Krümmer reiben. Bei aggressivem (vielleicht 2 Rennen) oder langfristigem Betrieb des Modells ist der Austausch des Kollektormotors ein häufiges und häufiges Ereignis.

Bürstenlose Motoren(bürstenlos, bürstenlos) - teurer, aber entwicklungsfähig große Geschwindigkeit sowie verschleißfester. Ausgestattet mit einem hochmodernen Brushless-System läuft das Modell schneller und länger.

Hoher Wirkungsgrad (Koeffizient nützliche Aktion) und Verschleißfestigkeit wird durch das Fehlen einer Bürsten-Kollektor-Einheit erreicht. Bürstenlose Motoren sind leistungsstärker als Bürstenmotoren gleicher Größe. Der wichtigste äußere Unterschied bürstenlosen Motor vom Kollektor ist das Vorhandensein von drei Drähten anstelle von zwei. Bei einem bürstenlosen Motor ist der bewegliche Teil nur der Stator (Gehäuse) mit Permanentmagneten und der stationäre Teil ist der Rotor mit einer Drehstromwicklung. Das Schalten der Wicklungen erfolgt aufgrund eines relativ komplexen elektronische Schaltung- ein Regler.

Der bürstenlose Motor wird mit Drehstrom betrieben, daher ist für seinen Betrieb ein spezieller Drehzahlregler (Regler) erforderlich, der Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom umwandelt. Sowohl der bürstenlose Motor als auch der Regler für den bürstenlosen Motor sind komplexer konstruiert, was die Kosten erhöht.

Die in den Modellen verwendeten Motoren haben ein geschlossenes Gehäuse, das sie resistent gegen Feuchtigkeit, Staub, Schmutz macht. Wir können sagen, dass bürstenlose Motoren praktisch nicht verschleißen. Nur die Lager können verschleißen. Der einzige Weg, einen Motor zu brechen, ist eine Kollision. Sie können den Controller auch brennen - wie jeder Regler, aber wenn der Controller einen Stromschutz hat, hält er auch lange.

Motorleistungswerte für RC-Modelle

Neben der Aufteilung in Kollektor- und bürstenlose Motoren werden die Motoren nach den folgenden wesentlichen Merkmalen unterteilt: Leistung, KV, Spannung, maximaler Strom.

Nach Größe... Bei einem Kollektormotor - diese Eigenschaft wird als Klasse bezeichnet, wobei eine Zahl, beispielsweise 280, 300, 400, 480, 500, 600, 650, 700, 720, 820, 900, die Länge des Motorgehäuses bezeichnet. Es gibt eine Reihe von Klassen.
Beispiel: Die Klasse eines Motors wird durch seine Länge bestimmt - wenn wir von einem Motor der 400er-Klasse sprechen, dann sprechen wir von einem Motor mit einer Karosserielänge von 400 mm. Ein wichtiges Merkmal von Brushless-Motoren ist seine Größe - Länge und Breite. Der Größenunterschied lässt die Leistung des bürstenlosen Motors erahnen. Je größer die Größe, desto höher die Leistung.
Beispiel: Motor 4274 bedeutet:
Durchmesser - 42 mm,
Länge - 74 mm.
Ein Motor dieser Größe ist beispielsweise einer der stärksten und passt in ein Auto im Maßstab 1:8.

Leistung Motor (Leistung, Watt) - definiert die Arbeit, die der Motor in einer Zeiteinheit leisten kann. Am meisten wichtige Eigenschaft Motor. Wenn Sie die Macht kennen, können Sie bestimmen Maximale Last denen der Motor laut Formel standhält.
Leistung (Watt) = Versorgungsspannung (Volt) * Strom (Ampere).
Wenn Sie die Leistung kennen, können Sie die Batterie und den Regler entsprechend dem aus der Formel erhaltenen maximalen Strom auswählen.

Umsätze, U / V (KV, RPM) - Umdrehungen pro Volt.
Ein wichtiger Parameter gibt die Drehzahl der Motorwelle an. Die Drehzahl wird durch die Anzahl der Umdrehungen pro Minute bestimmt, also wie schnell sich der Motor dreht. Rotordrehzahl, gemessen in KV. So ist es üblich, das Verhältnis des Verhältnisses der Drehzahl des Motors (U/min) zur Versorgungsspannung des Motors (V) zu bezeichnen. Grob gesagt zeigt kV an, wie schnell sie sich drehen werden verschiedene Motoren bei gleicher Spannung.
Höchstgeschwindigkeit = KV * Versorgungsspannung des Motors.
Beispiel: Ein 980-KV-Motor, der mit 11,1 V von einer Batterie betrieben wird, dreht sich ohne Last mit 980 x 11,1 = 10878 U/min.
Der Strommesswert kann den maximalen Dauerstrom darstellen und Grenzwerte Strom, der dem Motor zugeführt werden kann. Wählen Sie bei der Auswahl einer Batterie und eines Reglers diejenigen aus, die die Werte des maximalen Dauerstroms angeben, die gleich oder größer als die Werte des Stroms am Motor sind.
Zum verschiedene Modelle, den verschiedenen verwendeten Getrieben und Propellern, wird die erforderliche kV des Motors individuell ausgewählt und berechnet. Mit diesem Parameter kann die Anwendung von Motor, Akku und Propeller ausgewählt werden. So werden in der Regel Motoren mit KV über 2000 bei Helikoptern oder bei Hochgeschwindigkeitsmodellen eingesetzt. Ein Motor mit hoher KV kann mit weniger Batterien verwendet werden und ist mit einem Propeller mit kleinerer Steigung effizienter. Motoren dieser Klasse werden häufiger bei Tragflügeln verwendet. Motoren mit niedrigerer KV ermöglichen es, Batterien mit einer großen Anzahl von Zellen zu platzieren, wodurch etwas an Gewicht zunimmt, aber die Flugdauer verlängert wird - nicht aufgrund der Kapazität, sondern aufgrund einer Abnahme der maximalen Ströme bei der gleichen Arbeit des Motors. Je höher die KV der Motoren, desto kompakter sollten die Propeller sein. Die Schrauben sind nicht große Größe mehr bieten schnelle Geschwindigkeit aber die Effizienz reduzieren. Eine Konfiguration mit großen Propellern und dementsprechend Motoren mit einem niedrigeren KV-Wert ist einfacher zu stabilisieren, verbraucht weniger Energie und ermöglicht es Ihnen, mehr Masse zu heben.
KV ist ein wesentliches Merkmal für bürstenlose Motoren. Bei Kollektormotoren wird KV in der Regel nicht berücksichtigt. Wenn sich der Modellbauer entschieden hat, den Kollektormotor zu ersetzen, wechselt er normalerweise auf genau den gleichen.

Stromspannung Stromversorgung, V (Zellenzahl, Volt)
Die Spannung, an die der Motor angepasst ist. Bestimmt die Anzahl der Batteriezellen, die mit dem Motorrad verwendet werden können. Bei Überschreitung nimmt die Lebensdauer des Motors stark ab.
Es gibt beispielsweise Motoren mit Betriebsspannungen von 4,8 Volt, 6 Volt und 7,2 Volt. Diese Zahlen geben an, mit wie vielen Zellen in der Batterie dieser Motor arbeiten soll. Die Spannung an einer Zelle eines NiMH-Akkus (Nickel-Metallhydrid) beträgt 1,2 Volt - ein Motor mit einer Betriebsspannung von 4,8 Volt ist für den Betrieb mit einem 4-Zellen-Akku ausgelegt. Diese Zahlen sind ungefähre Angaben, die Motoren können mit erhöhten Spannungen betrieben werden.
Spannung und KV sind verbunden.

Maximale Effizienz,% (maximaler Wirkungsgrad)
Effizienz ist die Energiemenge, die der Motor direkt in nützliche Arbeit... Je höher desto besser.

Bürstenlose Motoren werden konstruktionsbedingt in zwei Gruppen unterteilt: Innenläufer und Außenläufer. Diese Eigenschaft spricht für Design-Merkmale Motor.
Motoren Innenläufer haben Wicklungen an der Innenfläche des Gehäuses und einen innen rotierenden Magnetrotor. Die meisten RC-Car- und Bootsmodelle benötigen einen bürstenlosen Inrunner-Motor.
Motoren Außenläufer haben stationäre Wicklungen im Inneren des Motors, um die sich der Körper mit Permanentmagneten an seiner Innenwand dreht, d. h. der äußere Teil des Motors dreht sich in den Außenläufern. Außenläufer werden für Flugzeugmodelle gewählt, weil sie konstruktionsbedingt besser gekühlt werden und mehr Variationen in der Anbringung bieten. Außenläufermotoren haben niedrigere Kilovolt, was bedeutet, dass sie mit einer niedrigeren Geschwindigkeit, aber mit mehr Drehmoment laufen. Normalerweise wird die Leistung von Outrunnern nicht bestimmt durch Außenmaße... Außenläufer ermöglichen konstruktionsbedingt die Verwendung einer größeren Anzahl von Magnetpolen.

Polzahl der Magnete in bürstenlosen Motoren verwendet werden, können unterschiedlich sein.
Anhand der Polzahl können Sie das Drehmoment und die Drehzahl des Motors beurteilen. Motoren mit zweipoligem Rotor haben höchste Geschwindigkeit Drehung bei geringstem Drehmoment. Motoren mit mehr Polen haben eine niedrigere Drehzahl, aber ein höheres Drehmoment.

Auch bürstenlose Motoren sind sensorisch und sensorlos.
Sensorik besser, da der Sensor mehr liefert reibungslosen Betrieb Motor, schneller und sanfter Start, rationellere Energienutzung.

Bürstenlose Motoren

Bürstenlose Elektromotoren kamen erst vor relativ kurzer Zeit in den Modellbau, in den letzten 5-7 Jahren. Im Gegensatz zu Kollektormotoren werden sie mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben. Bürstenlose Motoren arbeiten effizient über einen größeren Drehzahlbereich und haben mehr hohe Effizienz... Gleichzeitig ist das Design des Motors einfacher, es gibt keine Bürstenanordnung und es besteht keine Notwendigkeit für Wartung... Wir können sagen, dass bürstenlose Motoren praktisch nicht verschleißen. Die Kosten für bürstenlose Motoren sind etwas höher als für bürstenbehaftete. Dies liegt daran, dass alle bürstenlosen Motoren mit Lagern ausgestattet und in der Regel von besserer Qualität sind. Obwohl der Preisunterschied zwischen gut Kollektormotor und ein bürstenloser Motor der gleichen Klasse ist nicht so toll.

Bürstenlose Motoren werden konstruktionsbedingt in zwei Gruppen unterteilt: Innenläufer (ausgesprochen "Inrunner") und Außenläufer (ausgesprochen "Außenläufer"). Die Motoren der ersten Gruppe haben Wicklungen, die sich entlang der Innenfläche des Gehäuses befinden, und einen sich darin drehenden magnetischen Rotor. Die Motoren der zweiten Gruppe - "Außenläufer", haben feste Wicklungen im Inneren des Motors, um die sich ein Körper mit Permanentmagneten an seiner Innenwand dreht. Die Anzahl der Pole von Magneten, die in bürstenlosen Motoren verwendet werden, kann variieren. Anhand der Polzahl können Sie das Drehmoment und die Drehzahl des Motors beurteilen. Motoren mit zweipoligen Rotoren haben die höchste Drehzahl mit dem niedrigsten Drehmoment. Diese Motoren können konstruktionsbedingt nur „Interneure“ sein. Diese Motoren werden oft vormontiert verkauft. Planetengetriebe, da ihre Umdrehungen für die direkte Drehung des Propellers zu hoch sind. Manchmal werden solche Motoren ohne Getriebe verwendet - zum Beispiel bei Rennflugzeugmodellen. Motoren mit mehr Polen haben eine niedrigere Drehzahl, aber ein höheres Drehmoment. Diese Motoren ermöglichen die Verwendung von Propellern mit großem Durchmesser ohne die Notwendigkeit von Getrieben. Im Allgemeinen bieten Propeller mit großem Durchmesser und kleiner Steigung bei relativ niedrigen Drehzahlen viel Schub, aber sagen Sie es dem Modell langsame Geschwindigkeit, während Propeller mit kleinem Durchmesser und großer Steigung auf hohe Drehzahlen bieten hohe Geschwindigkeit bei relativ geringem Schub. Somit sind mehrpolige Motoren ideal für Modelle, die ein hohes Schub-Gewichts-Verhältnis benötigen, und bipolare Motoren ohne Getriebe sind ideal für Hochgeschwindigkeitsmodelle. Für eine genauere Auswahl von Motor und Propeller zu bestimmtes Modell, kannst du verwenden Sonderprogramm MotoCalc.

Da bürstenlose Motoren mit Wechselstrom betrieben werden, benötigen sie zum Betrieb einen speziellen Controller (Regler), der Gleichstrom aus den Batterien in Wechselstrom umwandelt. Regler für bürstenlose Motoren sind programmierbare Geräte, mit denen Sie alles in Ihrem Leben steuern können. wichtige Parameter Motor. Sie ermöglichen nicht nur die Änderung der Drehzahl und der Drehrichtung des Motors, sondern auch je nach Bedarf eine sanfte oder abrupter Start, Maximalstrombegrenzung, "Bremsfunktion" und eine Reihe weiterer Feinabstimmungen des Motors für die Bedürfnisse des Modellbauers. Um den Regler zu programmieren, werden Geräte verwendet, um ihn an einen Computer anzuschließen, oder in Feldbedingungen dies kann mit einem Sender und einem speziellen Jumper erfolgen.

Es gibt viele Hersteller von bürstenlosen Motoren und Reglern dafür. Bürstenlose Motoren unterscheiden sich auch stark in Design und Größe. Außerdem, Eigenproduktion Bürstenlose Motoren basierend auf Teilen von CD-Laufwerken und anderen bürstenlosen Industriemotoren sind in den letzten Jahren weit verbreitet. Vielleicht haben bürstenlose Motoren aus diesem Grund heute nicht einmal eine solche Näherung allgemeine Einteilung wie Sammlerbrüder. Fassen wir kurz zusammen. Bürstenmotoren werden heute hauptsächlich bei günstigen Hobbymodellen eingesetzt, oder Sportmodelle Einstiegslevel. Diese Motoren sind kostengünstig, einfach zu bedienen und stellen immer noch die gebräuchlichste Art von Elektromotoren im Modell dar. Sie werden durch bürstenlose Motoren ersetzt. Der einzige einschränkende Faktor ist nach wie vor ihr Preis. Zusammen mit dem Regler kostet ein bürstenloser Motor 30-70% mehr. Allerdings sinken die Preise für Elektronik und Motoren, und es ist nur eine Frage der Zeit, bis die Kollektormotoren allmählich aus der Modellbauindustrie verdrängt werden.

AVR492: Bürstenlose DC-Motorsteuerung mit AT90PWM3

Unterscheidungsmerkmale:

• Allgemeine Informationen zum BLDC-Motor
• Verwendet einen Endstufencontroller
• Hardwareimplementierung
• Beispielprogrammcode

Einführung

Dieser Anwendungshinweis beschreibt die Implementierung eines bürstenlosen DC-Motorcontrollers (BLDC-Motor) mit Positionssensoren auf Basis des AT90PWM3 AVR-Mikrocontrollers.

Der leistungsstarke AVR-Mikrocontrollerkern, der den Endstufencontroller enthält, ermöglicht die Implementierung eines bürstenlosen Hochgeschwindigkeits-DC-Motorsteuergeräts.

Dieses Dokument enthält eine kurze Beschreibung der Funktionsweise. bürstenlosen Motor Gleichstrom, und im Detail wird die Ansteuerung des BLDC-Motors im Touch-Modus betrachtet, sowie eine Beschreibung von schematische Darstellung das Referenzdesign des ATAVRMC100, auf dem dieser Anwendungshinweis basiert.

Eine Softwareimplementierung mit einem softwareimplementierten Regelkreis basierend auf einem PID-Regler wird ebenfalls diskutiert. Zur Steuerung des Schaltvorgangs wird davon ausgegangen, dass ausschließlich auf dem Hall-Effekt basierende Positionssensoren verwendet werden.

Funktionsprinzip

Die Einsatzgebiete von BLDC-Motoren nehmen ständig zu, was mit einer Reihe von Vorteilen verbunden ist:

1. Fehlen einer Verteilerbaugruppe, die die Wartung vereinfacht oder sogar eliminiert.
2. Generation vorbei niedriges Niveau akustisches und elektrisches Rauschen im Vergleich zu universellen bürstenbehafteten Gleichstrommotoren.
3. Fähigkeit, in gefährlichen Umgebungen (mit brennbaren Produkten) zu arbeiten.
4. Gutes Verhältnis von Gewichts- und Größeneigenschaften und Leistung ...

Motoren dieser Art zeichnen sich durch eine geringe Trägheit des Rotors aus, weil die Wicklungen befinden sich am Stator. Die Kommutierung wird elektronisch gesteuert. Die Schaltmomente werden entweder durch Informationen von Positionssensoren oder durch Messung der von den Wicklungen erzeugten Gegen-EMK bestimmt.

Bei der Ansteuerung mit Sensoren besteht der BLDC-Motor normalerweise aus drei Hauptteilen: Stator, Rotor und Hall-Sensoren.

Der Stator eines klassischen Drehstrom-BLDC-Motors enthält drei Wicklungen. Bei vielen Motoren sind die Wicklungen in mehrere Abschnitte unterteilt, um die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren.

Abbildung 1 zeigt das Ersatzschaltbild des elektrischen Stators. Es besteht aus drei Wicklungen, von denen jede drei in Reihe geschaltete Elemente enthält: Induktivität, Widerstand und Gegen-EMK.

Der Rotor des BLDC-Motors besteht aus einer geraden Anzahl von Permanentmagneten. Die Anzahl der Magnetpole im Rotor beeinflusst auch die Teilungsgröße und die Drehmomentwelligkeit. Wie große Menge Pole, die kleinere Größe Drehschritt und weniger Drehmomentwelligkeit. Es können Permanentmagnete mit 1..5 Polpaaren verwendet werden. In einigen Fällen erhöht sich die Polpaarzahl auf 8 (Abbildung 2).

Die Wicklungen sind fest verbaut und der Magnet rotiert. Der BLDC-Rotor zeichnet sich durch ein geringeres Gewicht gegenüber dem herkömmlichen Rotor aus Universalmotor Gleichstrom, bei dem sich die Wicklungen auf dem Rotor befinden.

Hall-Sensor

Zur Beurteilung der Rotorlage sind im Motorgehäuse drei Hallsensoren eingebaut. Die Sensoren werden in einem Winkel von 120° zueinander eingebaut. Mit Hilfe dieser Sensoren ist es möglich, 6 verschiedene Schaltungen durchzuführen.

Die Phasenumschaltung hängt vom Zustand der Hallsensoren ab.

Die Versorgung der Wicklungen mit Versorgungsspannungen ändert sich nach Änderung der Zustände der Ausgänge der Hallsensoren. Bei korrekte Ausführung Synchronkommutierung bleibt das Drehmoment annähernd konstant und hoch.

Phasenumschaltung

Zur vereinfachten Beschreibung des Betriebs eines Drehstrom-BLDC-Motors betrachten wir nur seine Version mit drei Wicklungen. Wie zuvor gezeigt, hängt die Phasenumschaltung von den Ausgangswerten der Hallsensoren ab. Wenn die Spannung an den Motorwicklungen korrekt angelegt wird, wird ein Magnetfeld erzeugt und die Rotation eingeleitet. Die häufigsten und auf einfache Weise Die zur Steuerung des BLDC-Motors verwendete Schaltsteuerung ist eine Ein-Aus-Schaltung, bei der die Wicklung entweder leitet oder nicht. Es können nur zwei Wicklungen gleichzeitig erregt werden und die dritte bleibt ausgeschaltet. Das Anschließen der Wicklungen an die Stromschienen verursacht Leckage elektrischer Strom. Diese Methode Trapezschaltung oder Blockschaltung genannt.

Zur Ansteuerung des BLDC-Motors wird eine Endstufe verwendet, die aus 3 Halbbrücken besteht. Das Leistungsstufendiagramm ist in Abbildung 4 dargestellt.

Anhand der ausgelesenen Werte der Hallsensoren wird ermittelt, welche Tasten geschlossen werden sollen.

Veröffentlicht am 19.03.2013

Mit diesem Artikel beginne ich eine Reihe von Veröffentlichungen zu bürstenlosen Gleichstrommotoren. Ich werde es in einer zugänglichen Sprache beschreiben allgemeine Informationen, Gerät, bürstenlose Motorsteuerungsalgorithmen. Wird berücksichtigt verschiedene Typen Motoren werden Beispiele für die Auswahl von Reglerparametern gegeben. Ich werde das Gerät und den Algorithmus des Reglers, die Methode zur Auswahl der Leistungsschalter und die Hauptparameter des Reglers beschreiben. Der logische Abschluss der Veröffentlichungen wird ein Reglerdiagramm sein.

Bürstenlose Motoren haben sich durch die Entwicklung der Elektronik und insbesondere durch das Aufkommen kostengünstiger Leistungstransistorschalter verbreitet. Auch das Aufkommen leistungsstarker Neodym-Magnete spielte eine wichtige Rolle.

Der bürstenlose Motor sollte jedoch nicht als Neuheit betrachtet werden. Die Idee eines bürstenlosen Motors stammt aus den Anfängen der Elektrizität. Aufgrund der Nichtverfügbarkeit der Technologie wartete es jedoch bis 1962, als der erste kommerzielle bürstenlose Gleichstrommotor auf den Markt kam. Jene. Seit mehr als einem halben Jahrhundert gibt es verschiedene Serienausführungen dieser Art von Elektroantrieb!

Ein bisschen Terminologie

Bürstenlose Gleichstrommotoren werden auch als Ventilmotoren bezeichnet, in der ausländischen Literatur BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) oder PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Strukturell besteht ein bürstenloser Motor aus einem Permanentmagnetrotor und einem Stator mit Wicklungen. Ich mache Sie darauf aufmerksam, dass sich bei einem Kollektormotor dagegen die Wicklungen auf dem Rotor befinden. Daher sind im weiteren Text der Rotor die Magnete, der Stator die Wicklungen.

Zur Steuerung des Motors wird ein elektronischer Regler verwendet. In ausländischer Literatur Geschwindigkeitsregler oder ESC (Elektronische Geschwindigkeitsregelung).

Was ist ein bürstenloser Motor?

Normalerweise suchen Menschen, wenn sie mit etwas Neuem konfrontiert sind, nach Analogien. Manchmal muss man die Sätze „na ja, es ist wie ein Synchro“ oder noch schlimmer „es sieht aus wie ein Schritt-Schritt“ hören. Da die meisten bürstenlosen Motoren dreiphasig sind, ist dies noch verwirrender und führt zu dem Missverständnis, dass der Regler den Motor mit 3-Phasen-Wechselstrom speist. All das oben Gesagte ist nur teilweise wahr. Tatsache ist, dass alle Motoren außer asynchronen als synchron bezeichnet werden können. Alle DC-Motoren sind selbstsynchronisierende Synchronmotoren, ihr Funktionsprinzip unterscheidet sich jedoch von AC-Synchronmotoren, die nicht selbstsynchronisieren. Als bürstenloser Schrittmotor wird er wahrscheinlich auch funktionieren können. Aber hier ist die Sache: Ein Ziegelstein kann auch fliegen ... allerdings nicht weit, denn dafür ist er nicht gedacht. Als Schrittmotor ein Ventilstrahltriebwerk ist besser geeignet.

Versuchen wir herauszufinden, was ein Brushles-Gleichstrommotor ist. In diesem Satz ist die Antwort bereits enthalten - dies ist ein Gleichstrommotor ohne Kollektor. Die Kollektorfunktionen werden von der Elektronik übernommen.

Vorteile und Nachteile

Eine ziemlich komplexe, schwere und funkensprühende Baugruppe - der Kollektor - wird aus der Motorkonstruktion entfernt. Die Konstruktion des Motors wird stark vereinfacht. Der Motor ist leichter und kompakter. Schaltverluste werden durch den Austausch der Kollektor- und Bürstenkontakte deutlich reduziert elektronische Schlüssel... Als Ergebnis erhalten wir einen Elektromotor mit beste Leistung Effizienz- und Leistungsanzeige pro Kilogramm Eigengewicht, mit den meisten große AuswahlÄnderungen der Drehzahl. In der Praxis laufen bürstenlose Motoren kühler als ihre bürstenbehafteten Gegenstücke. Übertrag schwere Ladung Von diesem Moment. Durch den Einsatz leistungsstarker Neodym-Magnete sind bürstenlose Motoren noch kompakter geworden. Das Design des bürstenlosen Motors ermöglicht den Betrieb in Wasser und aggressiven Umgebungen (natürlich nur der Motor, der Regler wird sehr teuer zu benetzen). Bürstenlose Motoren erzeugen praktisch keine Funkstörungen.

Der einzige Nachteil gilt als komplex und teuer die elektronische Einheit Steuerung (Regler oder ESC). Wer jedoch die Motordrehzahl regeln möchte, kommt ohne Elektronik nicht aus. Wenn Sie die Drehzahl eines bürstenlosen Motors nicht regeln müssen, können Sie trotzdem nicht auf eine elektronische Steuereinheit verzichten. Ein bürstenloser Motor ohne Elektronik ist nur ein Stück Hardware. Es gibt keine Möglichkeit, Spannung an ihn anzulegen und eine normale Drehung wie bei anderen Motoren zu erreichen.

Was passiert in einem bürstenlosen Motorregler?

Um zu verstehen, was in der Elektronik des Reglers passiert, der den bürstenlosen Motor steuert, gehen wir ein wenig zurück und verstehen zunächst die Funktionsweise des Kommutatormotors. Aus dem Schulphysikkurs erinnern wir uns, wie ein Magnetfeld mit einem Strom auf einen Rahmen einwirkt. Der Rahmen mit dem Strom dreht sich in einem Magnetfeld. Außerdem dreht es sich nicht ständig, sondern dreht sich in eine bestimmte Position. Damit eine kontinuierliche Drehung erfolgen kann, müssen Sie die Stromrichtung im Rahmen je nach Position des Rahmens ändern. In unserem Fall ist der Rahmen mit dem Strom die Motorwicklung, und der Kommutator ist am Schalten beteiligt - ein Gerät mit Bürsten und Kontakten. Das Gerät des einfachsten Motors, siehe Abbildung.

Die Elektronik, die den bürstenlosen Motor steuert, macht dasselbe - in die richtigen momente verbindet Gleichspannung mit den erforderlichen Statorwicklungen.

Positionssensoren, Motoren ohne Sensoren

Aus dem oben Gesagten ist es wichtig zu verstehen, dass je nach Position des Rotors Spannung an die Motorwicklungen angelegt werden muss. Daher muss die Elektronik in der Lage sein, die Position des Motorläufers zu bestimmen. . Dazu werden Positionssensoren verwendet. Sie können sein verschiedener Arten, optisch, magnetisch usw. Derzeit sind diskrete Hall-Effekt-Sensoren (zB SS41) weit verbreitet. Der bürstenlose 3-Phasen-Motor verwendet 3 Sensoren. Dank solcher Sensoren weiß die elektronische Steuereinheit immer, in welcher Position sich der Rotor befindet und an welchen Wicklungen sie gerade Spannung anlegen. Später wird der Regelalgorithmus für einen dreiphasigen bürstenlosen Motor betrachtet.

Es gibt bürstenlose Motoren, die keine Sensoren haben. Bei solchen Motoren wird die Position des Rotors durch Messen der Spannung an den unbenutzten dieser Moment Zeitwicklung. Auch diese Methoden werden später besprochen. Auf einen wesentlichen Punkt sollten Sie achten: Diese Methode ist nur bei drehendem Motor relevant. Wenn sich der Motor nicht oder sehr langsam dreht, funktioniert diese Methode nicht.

In welchen Fällen werden bürstenlose Motoren mit Sensoren eingesetzt und in welchen Fällen ohne Sensoren? Was ist der Unterschied zwischen ihnen?

Positionsgebermotoren werden bevorzugt mit technischer Punkt Vision. Der Regelalgorithmus für solche Motoren ist viel einfacher. Es gibt jedoch auch Nachteile: Es ist erforderlich, die Sensoren und die Verkabelung von den Sensoren im Motor zur Steuerelektronik mit Strom zu versorgen; Bei Ausfall eines der Sensoren funktioniert der Motor nicht mehr und der Austausch der Sensoren erfordert in der Regel eine Demontage des Motors.

In Fällen, in denen es konstruktiv nicht möglich ist, Sensoren im Motorgehäuse zu platzieren, werden Motoren ohne Sensoren verwendet. Konstruktiv unterscheiden sich solche Motoren praktisch nicht von Motoren mit Sensoren. Aber die Elektronik muss den Motor ohne Sensoren steuern können. In diesem Fall muss das Steuergerät die Eigenschaften erfüllen spezifisches Modell Motor.

Muss der Motor bei starker Belastung der Motorwelle anlaufen (Elektrofahrzeuge, Hubwerke etc.), kommen Motoren mit Sensoren zum Einsatz.
Läuft der Motor ohne Belastung der Welle (Lüftung, Luftpropeller, eine Fliehkraftkupplung verwendet wird usw.), können Motoren ohne Sensoren verwendet werden. Denken Sie daran: Der Motor ohne Positionssensoren muss ohne Last auf der Welle anlaufen. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, sollte ein Motor mit Sensoren verwendet werden. Außerdem sind im Moment des Motorstarts ohne Sensoren Drehschwingungen der Motorachse möglich in verschiedene Seiten... Wenn dies für Ihr System kritisch ist, verwenden Sie einen Motor mit Sensoren.

Drei Phasen

Dreiphasige bürstenlose Motoren gekauft am weitesten verbreitet... Sie können jedoch ein-, zwei-, drei- oder mehrphasig sein. Je mehr Phasen, desto gleichmäßiger die Drehung des Magnetfelds, aber auch desto komplexer die Motorsteuerung. Das 3-Phasen-System ist in Bezug auf das Verhältnis von Effizienz / Komplexität am optimalsten, weshalb es so weit verbreitet ist. Außerdem wird nur ein dreiphasiges Schema als das gebräuchlichste betrachtet. Tatsächlich sind die Phasen die Motorwicklungen. Daher denke ich, dass es auch richtig ist, wenn Sie "dreiwindig" sagen. Die drei Wicklungen sind Stern- oder Dreieckschaltung. Ein bürstenloser Drehstrommotor hat drei Drähte - Wicklungsleitungen, siehe Abbildung.

Motoren mit Encodern haben zusätzlich 5 Adern (2-Versorgung von Positionsgebern und 3 Signale von Encodern).

In einem Drehstromsystem wird an zwei der drei Wicklungen gleichzeitig Spannung angelegt. Somit gibt es 6 Möglichkeiten, die Motorwicklungen mit Gleichspannung zu versorgen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.