Bürstenlose Motoren

Bürstenlose Elektromotoren kamen erst vor relativ kurzer Zeit in den Modellbau, in den letzten 5-7 Jahren. Anders als Kollektormotoren werden sie mit Drehstrom betrieben. Bürstenlose Motoren effektiver arbeiten in mehr große Auswahl Umsätze und mehr hohe Effizienz. Das Design des Motors ist einfacher, er hat keine Bürstenanordnung und es besteht keine Notwendigkeit dafür Wartung. Wir können sagen, dass bürstenlose Motoren praktisch nicht verschleißen. Die Kosten für bürstenlose Motoren sind etwas höher als für Bürstenmotoren. Denn alle Brushless-Motoren haben Lager und sind in der Regel hochwertiger. Obwohl die Preislücke zwischen gut Kollektormotor und ein bürstenloser Motor ähnlicher Klasse ist nicht so toll.

Bürstenlose Motoren werden konstruktionsbedingt in zwei Gruppen eingeteilt: Inrunner (ausgesprochen „inrunner“) und Outrunner (ausgesprochen „outrunner“). Die Motoren der ersten Gruppe haben Wicklungen, die sich auf der Innenfläche des Gehäuses befinden, und einen magnetischen Rotor, der sich im Inneren dreht. Motoren der zweiten Gruppe - "Außenläufer", haben im Inneren des Motors feste Wicklungen, um die sich das Gehäuse dreht, das an seiner Innenwand angebracht ist Permanentmagnete. Die Anzahl der in bürstenlosen Motoren verwendeten Magnetpole kann variieren. Anhand der Anzahl der Pole können Sie das Drehmoment und die Drehzahl des Motors beurteilen. Motoren mit zweipoligen Rotoren haben Höchstgeschwindigkeit Drehung bei niedrigstem Drehmoment. Diese Motoren können konstruktionsbedingt nur "Innenläufer" sein. Solche Motoren werden oft mit verkauft Planetengetriebe, da ihre Umdrehungen zu hoch für die direkte Drehung des Propellers sind. Manchmal werden solche Motoren ohne Getriebe verwendet - zum Beispiel in Rennmodellflugzeugen. Hochpolige Motoren haben eine geringere Drehzahl, aber mehr Drehmoment. Solche Motoren ermöglichen die Verwendung von Propellern mit großem Durchmesser, ohne dass Getriebe erforderlich sind. Im Allgemeinen liefern Propeller mit großem Durchmesser und kleiner Steigung bei relativ niedriger Drehzahl mehr Schub, geben dem Modell aber eine kleine Drehzahl, während Propeller mit kleinem Durchmesser eine große Steigung auf hohe Drehzahlen bieten hohe Geschwindigkeit mit relativ wenig Schub. Daher sind mehrpolige Motoren ideal für Modelle, die ein hohes Schub-Gewicht-Verhältnis benötigen, und zweipolige Motoren ohne Getriebe sind ideal für Hochgeschwindigkeitsmodelle. Für eine genauere Auswahl von Motor und Propeller zu spezifisches Modell, können Sie das spezielle Programm MotoCalc verwenden.

Da bürstenlose Motoren mit Wechselstrom betrieben werden, benötigen sie zum Funktionieren eine spezielle Steuerung (Regler), die den Gleichstrom aus den Batterien in Wechselstrom umwandelt. ESCs für bürstenlose Motoren sind programmierbare Geräte, mit denen Sie alles im Leben steuern können. wichtige Parameter Motor. Sie ermöglichen nicht nur die Änderung der Drehzahl und Richtung des Motors, sondern je nach Bedarf auch einen sanften oder scharfen Start, eine maximale Strombegrenzung, eine „Brems“-Funktion und eine Reihe anderer feiner Motoreinstellungen für den Bedürfnisse des Modellbauers. Um den Controller 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 für sie. Auch strukturell und in der Größe variieren bürstenlose Motoren stark. Außerdem, unabhängige Produktion Bürstenlose Motoren, die auf Teilen von CD-Laufwerken und anderen industriellen bürstenlosen Motoren basieren, sind in letzter Zeit sehr verbreitet geworden. Vielleicht haben bürstenlose Motoren aus diesem Grund heute nicht einmal eine solche ungefähre Angabe allgemeine Einteilung wie Sammlerbrüder. Fassen wir kurz zusammen. Bürstenmotoren werden heute hauptsächlich bei preiswerten Hobbymodellen eingesetzt, bzw Sportmodelle Einstiegslevel. Diese Motoren sind kostengünstig, einfach zu bedienen und immer noch die beliebteste Art von Modellelektromotoren. Sie werden durch bürstenlose Motoren ersetzt. Der einzige limitierende Faktor ist bisher der Preis. Zusammen mit dem Regler kostet ein bürstenloser Motor 30-70% mehr. Allerdings sinken die Preise für Elektronik und Motoren, und die allmähliche Verdrängung von Kollektor-Elektromotoren aus dem Modellbau ist nur eine Frage der Zeit.

AVR492: Bürstenlose Motorsteuerung Gleichstrom mit AT90PWM3

Unterscheidungsmerkmale:

• Allgemeine Informationen zu BKEPT
• Verwendet Endstufenregler
• Hardwareimplementierung
• Beispiel Programmcode

Einführung

Dieser Anwendungshinweis beschreibt die Implementierung einer bürstenlosen DC-Motorsteuerung (BCEM) mit Encodern auf Basis des AVR-Mikrocontrollers AT90PWM3.

Der leistungsstarke AVR-Kern des Mikrocontrollers, der den Endstufencontroller enthält, ermöglicht Ihnen die Implementierung eines bürstenlosen Hochgeschwindigkeits-DC-Motorsteuergeräts.

Dieses Dokument gibt eine kurze Beschreibung des Funktionsprinzips eines bürstenlosen DC-Motors und detailliert die Steuerung des BECPT im Berührungsmodus und liefert auch eine Beschreibung Schaltplan Referenzentwicklung ATAVRMC100, auf der diese Anwendungshinweise basieren.

Eine Softwareimplementierung mit einem softwareimplementierten Regelkreis basierend auf einem PID-Regler wird ebenfalls diskutiert. Zur Steuerung des Schaltvorgangs ist es naheliegend, nur auf dem Hall-Effekt basierende Positionssensoren zu verwenden.

Funktionsprinzip

Die Einsatzgebiete von BKEPT nehmen stetig zu, was an einer Reihe ihrer Vorteile liegt:

1. Das Fehlen einer Verteilerbaugruppe, was die Wartung vereinfacht oder sogar eliminiert.
2. Generation vorbei niedriges Niveau akustisches und elektrisches Rauschen im Vergleich zu universellen DC-Kommutatormotoren.
3. Fähigkeit, in gefährlichen Umgebungen zu arbeiten (mit brennbaren Produkten).
4. Gute Balance zwischen Gewicht und Leistung...

Motoren dieses Typs zeichnen sich durch eine geringe Trägheit des Rotors tk aus. Wicklungen befinden sich auf dem Stator. Die Umschaltung erfolgt elektronisch gesteuert. Die Schaltmomente werden entweder durch Informationen von den Positionssensoren oder durch Messung der von den Wicklungen erzeugten Gegen-EMK bestimmt.

Sensorgesteuert besteht der BKEPT in der Regel aus drei Hauptteilen: dem Stator, dem Rotor und den Hallsensoren.

Der Stator eines klassischen dreiphasigen BKEPT enthält drei Wicklungen. Bei vielen Motoren sind die Wicklungen in mehrere Abschnitte unterteilt, um die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren.

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

Der BKEPT-Rotor besteht aus einer geraden Anzahl von Permanentmagneten. Auch die Anzahl der Magnetpole im Rotor wirkt sich auf die Teilungsgröße und die Drehmomentwelligkeit aus. Wie große Menge Pole, die kleinere Größe Rotationsschritt und weniger Drehmomentwelligkeit. Es können Permanentmagnete mit 1..5 Polpaaren verwendet werden. In einigen Fällen erhöht sich die Anzahl der Polpaare auf 8 (Abbildung 2).

Die Wicklungen sind fest installiert und der Magnet rotiert. Der BKEPT-Rotor zeichnet sich durch ein geringeres Gewicht im Vergleich zu einem herkömmlichen Rotor aus. Universalmotor Gleichstrom, bei dem sich die Wicklungen auf dem Rotor befinden.

Hall-Sensor

Zur Beurteilung der Position des Rotors 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 Versorgungsspannung an den Wicklungen ändert sich nach Änderung der Ausgangszustände der Hall-Sensoren. Beim korrekte Ausführung Synchronschaltung bleibt das Drehmoment annähernd konstant und hoch.

Phasenumschaltung

Zur vereinfachten Beschreibung des Betriebs eines dreiphasigen BKEPT betrachten wir nur seine Version mit drei Wicklungen. Wie bereits gezeigt, hängt die Phasenumschaltung von den Ausgangswerten der Hallsensoren ab. Wenn die richtige Spannung an die Motorwicklungen angelegt wird, wird ein Magnetfeld erzeugt und die Drehung eingeleitet. Die gebräuchlichste und einfachste Schaltsteuerungsmethode zur Steuerung des BKEPT ist eine Ein-Aus-Schaltung, bei der die Wicklung entweder Strom leitet oder nicht. Gleichzeitig können nur zwei Wicklungen mit Strom versorgt werden, und die dritte bleibt ausgeschaltet. Das Verbinden der Wicklungen mit den Stromschienen bewirkt den Fluss von elektrischem Strom. Diese Methode Keystone Switching oder Block Switching genannt.

Zur Ansteuerung des BKEPT wird eine Leistungsstufe 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.

Motoren werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Damit sich der Motorrotor dreht, ist ein rotierendes Magnetfeld erforderlich. Bei herkömmlichen Gleichstrommotoren wird diese Rotation ausgeführt mechanisch mit Bürsten, die entlang des Kollektors gleiten. Dies verursacht Funkenbildung, und zusätzlich erfordern solche Motoren aufgrund von Reibung und Verschleiß der Bürsten eine ständige Wartung.

Dank der Entwicklung der Technologie wurde es möglich, ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen elektronisch, die in bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) verkörpert wurde.

Gerät und Funktionsprinzip

Die Hauptelemente des BDPT sind:

• Rotor auf denen Permanentmagnete befestigt sind;
• Stator auf dem die Wicklungen installiert sind;
• elektronische Steuerung.

Ein solcher Motor kann konstruktionsbedingt zwei Arten haben:

mit einer inneren Anordnung eines Rotors (Inrunner)

mit Außenläuferanordnung (Outrunner)

Im ersten Fall dreht sich der Rotor im Inneren des Stators und im zweiten Fall dreht sich der Rotor um den Stator.

Innenläufer-Motor verwendet, wenn Sie bekommen müssen schnelle Geschwindigkeit Drehung. Dieser Motor hat eine einfachere Standardausführung, was die Verwendung eines festen Stators zur Montage des Motors ermöglicht.

Outrunner-Motor geeignet, um den großen Moment zu bekommen, wenn niedrige Drehzahlen. In diesem Fall wird der Motor mit einer festen Achse montiert.

Innenläufer-Motor Hohe Drehzahl, niedriges Drehmoment. Outrunner-Motor- niedrige Drehzahl, hohes Drehmoment.

Die Anzahl der Pole im BLDT kann unterschiedlich sein. Anhand der Anzahl der Pole kann man einige Eigenschaften des Motors beurteilen. Beispielsweise hat ein Motor mit einem 2-poligen Rotor eine höhere Drehzahl und ein kleines Drehmoment. Motoren mit mehr Polen haben mehr Drehmoment, aber weniger Drehzahl. Indem Sie die Anzahl der Rotorpole ändern, können Sie die Drehzahl des Motors ändern. Somit kann der Hersteller durch Änderung des Motordesigns die erforderlichen Parameter des Motors in Bezug auf Drehmoment und Drehzahl auswählen.

Direktion des BDPT

Geschwindigkeitsregler, Aussehen

Wird verwendet, um einen bürstenlosen Motor zu steuern Spezialregler - Drehzahlregler der Motorwelle Gleichstrom. Seine Aufgabe ist es, die erforderliche Spannung zum richtigen Zeitpunkt zu erzeugen und an die richtige Wicklung zu liefern. Die Steuerung für Geräte, die mit 220 V betrieben werden, verwendet meistens eine Wechselrichterschaltung, in der der Strom mit einer Frequenz von 50 Hz zuerst in Gleichstrom und dann in Pulsweitenmodulationssignale (PWM) umgewandelt wird. Zur Spannungsversorgung der Statorwicklungen werden leistungsstarke elektronische Schalter an Bipolartransistoren oder anderen Leistungselementen verwendet.

Die Einstellung der Leistung und der Drehzahl des Motors erfolgt durch Änderung des Arbeitszyklus der Impulse und folglich des Effektivwerts der Spannung, die den Statorwicklungen des Motors zugeführt wird.

Schematische Darstellung des Drehzahlreglers. K1-K6 - Tasten D1-D3 - Rotorlagesensoren (Hallsensoren)

Ein wichtiges Thema ist die rechtzeitige Anbindung elektronische Schlüssel zu jeder Wicklung. Um dies zu gewährleisten Die Steuerung muss die Position des Rotors und seine Drehzahl bestimmen. Um solche Informationen zu erhalten, können optische oder magnetische Sensoren verwendet werden (z. B. Hall-Sensoren) sowie umgekehrte Magnetfelder.

Häufigere Verwendung Hall-Sensoren, welche reagieren auf das Vorhandensein eines Magnetfelds. Die Sensoren werden so auf dem Stator platziert, dass sie vom Magnetfeld des Rotors beeinflusst werden. In einigen Fällen sind Sensoren in Geräten installiert, mit denen Sie die Position der Sensoren ändern und das Timing entsprechend anpassen können.

Rotordrehzahlregler reagieren sehr empfindlich auf die Strommenge, die durch sie fließt. Wenn Sie auswählen wiederaufladbare Batterie bei höherem Ausgangsstrom brennt der Regler durch! Wählen Sie die richtige Merkmalskombination!

Vorteile und Nachteile

Im Vergleich zu herkömmliche Motoren BDPT haben folgende Vorteile:

• hohe Effizienz;
• Hochleistung;
• die Möglichkeit, die Geschwindigkeit zu ändern;
• keine funkelnden Pinsel;
• kleine Geräusche, sowohl im Audio- als auch im Hochfrequenzbereich;
• Verlässlichkeit;
• Fähigkeit, Drehmomentüberlastungen standzuhalten;
• Ausgezeichnet Verhältnis von Größe zu Leistung.

Der bürstenlose Motor ist hocheffizient. Es kann 93-95% erreichen.

Die hohe Zuverlässigkeit des mechanischen Teils der DB erklärt sich aus der Tatsache, dass Kugellager verwendet werden und keine Bürsten vorhanden sind. Die Entmagnetisierung von Permanentmagneten ist ziemlich langsam, insbesondere wenn sie unter Verwendung von Seltenerdelementen hergestellt werden. Bei Verwendung in einem Stromschutzcontroller ist die Lebensdauer dieses Knotens ziemlich hoch. Tatsächlich Die Lebensdauer des BLDC kann anhand der Lebensdauer der Kugellager bestimmt werden.

Die Nachteile des BDP sind die Komplexität des Steuerungssystems und die hohen Kosten.

Anwendung

Die Bereiche von BDTP sind wie folgt:

• Modelle erstellen;
• die Medizin;
• Automobil;
• Öl-und Gasindustrie;
• Haushaltsgeräte;
• militärische Ausrüstung.

Verwendungszweck DB für Flugzeugmodelle bietet einen erheblichen Vorteil in Bezug auf Leistung und Abmessungen. Vergleich konventionell Kommutatormotor Typ Speed-400 und BDTP der gleichen Klasse Astro Flight 020 zeigt, dass der Motor des ersten Typs einen Wirkungsgrad von 40-60% hat. Die Effizienz des zweiten Motor unter den gleichen Bedingungen 95% erreichen kann. Durch den Einsatz der DB ist es somit möglich, die Leistung des Leistungsteils des Modells bzw. dessen Flugzeit nahezu zu verdoppeln.

Aufgrund des geringen Geräuschpegels und der fehlenden Erwärmung während des Betriebs werden BLDCs in der Medizin, insbesondere in der Zahnmedizin, häufig eingesetzt.

In Automobilen werden solche Motoren eingesetzt Glasheber, elektrische Scheibenwischer, Scheinwerferwaschanlagen und elektrische Sitzhöhenverstellung.

Keine Kommutator- und Bürstenfunken ermöglicht die Verwendung der Datenbank als Elemente von Schließgeräten in der Öl- und Gasindustrie.

Als Beispiel für die Verwendung einer Datenbank in Haushaltsgeräten kann man anführen Waschmaschine mit LG Direkttrommelantrieb. Dieses Unternehmen verwendet ein BDTP vom Outrunner-Typ. Auf dem Rotor des Motors befinden sich 12 Magnete und auf dem Stator 36 Induktoren, die mit einem Draht von 1 mm Durchmesser auf magnetisch leitfähige Stahlkerne gewickelt sind. Die Spulen sind mit 12 Spulen pro Phase in Reihe geschaltet. Der Widerstand jeder Phase beträgt 12 Ohm. Als Rotorlagesensor wird ein Hallsensor verwendet. Der Motorrotor ist am Bottich der Waschmaschine befestigt.

Überall wird dieser Motor in Festplatten für Computer verwendet, was sie kompakt macht, in CD- und DVD-Laufwerken und Kühlsystemen für mikroelektronische Geräte und nicht nur.

Neben DUs mit kleiner und mittlerer Leistung werden große BLDCs zunehmend in der Schwerlast-, Schiffs- und Militärindustrie eingesetzt.

DB hohe Energie für die US Navy entwickelt. Beispielsweise hat Powertec einen CBTP mit 220 kW und 2000 U/min entwickelt. Das Motordrehmoment erreicht 1080 Nm.

Neben diesen Bereichen werden DBs in der Konstruktion von Werkzeugmaschinen, Pressen, Kunststoffverarbeitungslinien sowie in der Windenergie und der Nutzung von Gezeitenenergie eingesetzt.

Eigenschaften

Hauptmerkmale des Motors:

• Nennleistung;
• maximale Leistung;
• maximaler Strom;
• maximal Betriebsspannung ;
• maximale Geschwindigkeit(oder Kv-Faktor);
• Wicklungswiderstand;
• Steigungswinkel;
• Arbeitsmodus;
• Gesamtgewichtseigenschaften Motor.

Der Hauptindikator des Motors ist seine Nennleistung, dh die Leistung, die der Motor für eine lange Betriebszeit erzeugt.

Maximale Kraft- Dies ist die Leistung, die der Motor für kurze Zeit abgeben kann, ohne zusammenzubrechen. Für den oben erwähnten bürstenlosen Motor Astro Flight 020 sind es beispielsweise 250 Watt.

Maximaler Strom. Für Astro Flight 020 sind es 25 A.

Maximale Betriebsspannung- die Spannung, der die Motorwicklungen standhalten können. Der Astro Flight 020 ist für den Betrieb mit 6 V bis 12 V ausgelegt.

Maximale Motordrehzahl. Manchmal gibt der Pass den Kv-Koeffizienten an - die Anzahl der Motorumdrehungen pro Volt. Für Astro Flight 020 Kv= 2567 U/min. In diesem Fall Maximale Anzahl Drehzahl kann durch Multiplikation dieses Faktors mit der maximalen Betriebsspannung ermittelt werden.

In der Regel Wicklungswiderstand für Motoren ist Zehntel oder Tausendstel Ohm. Für Astro Flight 020 R= 0,07 Ohm. Dieser Widerstand beeinflusst die Effizienz des BPDT.

Steigungswinkel stellt den Fortschritt der Schaltspannungen an den Wicklungen dar. Es ist mit der induktiven Natur des Widerstands der Wicklungen verbunden.

Die Betriebsweise kann lang- oder kurzfristig sein. Im Dauerbetrieb kann der Motor lange laufen. Gleichzeitig wird die von ihm erzeugte Wärme vollständig abgeführt und er überhitzt nicht. In diesem Modus arbeiten Motoren beispielsweise in Ventilatoren, Förderbändern oder Rolltreppen. Der Momentanmodus wird für Geräte wie Fahrstuhl, Elektrorasierer verwendet. In diesen Fällen läuft der Motor kurz und dann lange Zeit kühlt ab.

Im Pass für den Motor sind seine Abmessungen und sein Gewicht angegeben. Darüber hinaus gibt es beispielsweise für Motoren, die für Flugzeugmodelle bestimmt sind Abmessungen der Landung und Schaftdurchmesser. Insbesondere für das Triebwerk Astro Flight 020 folgende Eigenschaften:

• Länge beträgt 1,75 Zoll;
• Durchmesser beträgt 0,98 Zoll;
• Wellendurchmesser beträgt 1/8 Zoll;
• Gewicht ist 2,5 Unzen.

Ergebnisse:

1. Im Modellbau, in verschiedenen technischen Produkten, in der Industrie und in der Wehrtechnik werden BLDCs eingesetzt, bei denen durch eine elektronische Schaltung ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird.
2. BLDCs können je nach Bauart mit Innen- (Innenläufer) und Außenläufern (Außenläufer) angeordnet sein.
3. Im Vergleich zu anderen Motoren haben BLDCs eine Reihe von Vorteilen, von denen die wichtigsten das Fehlen von Bürsten und Funken, ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Zuverlässigkeit sind.

Das Funktionsprinzip eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BKDP) ist schon sehr lange bekannt und bürstenlose Motoren waren schon immer eine interessante Alternative zu herkömmlichen Lösungen. Trotzdem kann z elektrische Autos erst im 21. Jahrhundert haben sie in der Technik breite Anwendung gefunden. Ausschlaggebend für die flächendeckende Einführung war die mehrfache Kostenreduzierung der BDKP-Antriebsregelelektronik.

Kollektormotorprobleme

Grundsätzlich besteht die Aufgabe eines Elektromotors darin, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Es gibt zwei Haupt physikalische Phänomene dem Gerät elektrischer Maschinen zugrunde liegen:

Der Motor ist so konstruiert, dass die an jedem der Magneten erzeugten Magnetfelder immer miteinander interagieren und die Rotordrehung bewirken. Ein herkömmlicher Gleichstrommotor besteht aus vier Hauptteilen:

• Stator (festes Element mit einem Magnetring);
• Anker (rotierendes Element mit Wicklungen);
• Kohlebürsten;
• Kollektor.

Diese Konstruktion sorgt für die Drehung des Ankers und des Kommutators auf derselben Welle relativ zu den feststehenden Bürsten. Strom fließt von der Quelle durch federbelastet guter Kontakt Bürsten zu einem Kommutator, der den Strom zwischen den Ankerwicklungen verteilt. Das in letzterem induzierte Magnetfeld wirkt mit den Statormagneten zusammen, wodurch der Stator in Drehung versetzt wird.

Hauptnachteil traditioneller Motor, dass ein mechanischer Kontakt der Bürsten nicht reibungsfrei erreicht werden kann. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird das Problem deutlicher. Die Kollektorbaugruppe nutzt sich mit der Zeit ab und ist außerdem anfällig für Funkenbildung und kann ionisieren Umgebungsluft. Somit ist trotz der Einfachheit und der niedrigen Herstellungskosten solche Elektromotoren haben einige unüberwindbare Nachteile:

• Bürstenverschleiß;
• elektrische Störungen durch Funkenbildung;
• Beschränkungen ein Höchstgeschwindigkeit;
• Schwierigkeiten beim Kühlen eines rotierenden Elektromagneten.

Das Aufkommen von Prozessortechnologie und Leistungstransistoren ermöglichte es den Designern, die mechanische Schalteinheit aufzugeben und die Rolle von Rotor und Stator in einem Gleichstrommotor zu ändern.

Das Funktionsprinzip des BDKP

BEIM bürstenlosen Motor Im Gegensatz zu seinem Vorgänger übernimmt ein elektronischer Wandler die Rolle eines mechanischen Schalters. Dadurch ist es möglich, eine „inside-out“-Schaltung des BDKP zu realisieren – seine Wicklungen befinden sich auf dem Stator, wodurch ein Kollektor entfällt.

Mit anderen Worten, die Hauptsache grundlegender Unterschied zwischen klassischer Motor und BDCT darin, dass letztere anstelle von stationären Magneten und rotierenden Spulen aus stationären Wicklungen und rotierenden Magneten besteht. Obwohl die Kommutierung selbst auf ähnliche Weise erfolgt, ist ihre physikalische Umsetzung bei bürstenlosen Antrieben wesentlich komplexer.

Das Hauptproblem ist die präzise Steuerung eines bürstenlosen Motors, vorausgesetzt, die richtige Reihenfolge und Häufigkeit des Schaltens der einzelnen Wicklungsabschnitte. Dieses Problem ist konstruktiv nur lösbar, wenn die aktuelle Position des Rotors kontinuierlich ermittelt werden kann.

Die notwendigen Daten zur Verarbeitung durch die Elektronik werden auf zwei Wegen gewonnen:

• Erfassung der absoluten Position der Welle;
• Messen der in den Statorwicklungen induzierten Spannung.

Um die Steuerung im ersten Fall zu realisieren, werden meistens entweder optische Paare oder am Stator befestigte Hallsensoren verwendet, die auf den magnetischen Fluss des Rotors reagieren. Der Hauptvorteil ähnliche Systeme Das Sammeln von Informationen über die Position der Welle kommt ihrer Leistung sogar sehr entgegen niedrige Geschwindigkeiten und in Ruhe.

Eine sensorlose Regelung zur Auswertung der Spannung in den Spulen erfordert zumindest eine minimale Drehung des Rotors. Daher ist bei solchen Konstruktionen ein Modus zum Starten des Motors bis zur Drehzahl vorgesehen, bei dem die Spannung an den Wicklungen geschätzt werden kann, und der Ruhezustand wird getestet, indem die Wirkung des Magnetfelds auf die durchlaufenden Teststromimpulse analysiert wird die Spulen.

Trotz aller vorgenannten strukturellen Schwierigkeiten bürstenlose Motoren gewinnen aufgrund ihrer Leistung und einer Reihe von Eigenschaften, die für Sammler unzugänglich sind, immer mehr an Popularität. Eine kurze Liste der Hauptvorteile von BDKP gegenüber den klassischen sieht so aus:

• kein mechanischer Energieverlust durch Bürstenreibung;
• vergleichsweise Geräuschlosigkeit der Arbeit;
• leichte Beschleunigung und Verzögerung der Drehung aufgrund der geringen Trägheit des Rotors;
• Rotationssteuerungsgenauigkeit;
• die Möglichkeit, eine Kühlung aufgrund der Wärmeleitfähigkeit zu organisieren;
• Fähigkeit, mit hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten;
• Langlebigkeit und Zuverlässigkeit.

Moderne Bewerbung und Perspektiven

Es gibt viele Geräte, für die eine Erhöhung der Betriebszeit von entscheidender Bedeutung ist. In solchen Geräten ist die Verwendung von BDCT trotz ihrer relativen Bedeutung immer gerechtfertigt Hohe Kosten. Dies können Wasser- und Kraftstoffpumpen, Kühlturbinen für Klimaanlagen und Motoren usw. sein. Bürstenlose Motoren werden in vielen Elektromodellen verwendet Fahrzeug. Derzeit haben bürstenlose Motoren ernsthafte Aufmerksamkeit von der Automobilindustrie erhalten.

BDCT sind ideal für kleine Laufwerke, die in Betrieb sind schwierige Bedingungen oder mit hoher Präzision: Feeder und Bandförderer, Industrieroboter, Positionierungssysteme. Es gibt Bereiche, in denen bürstenlose Motoren unangefochten dominieren: Festplatten, Pumpen, leise Lüfter, kleine Haushaltsgeräte, CD/DVD-Laufwerke. Das geringe Gewicht und die hohe Leistungsabgabe haben den BDCT auch zur Basis für die Produktion moderner Akku-Handwerkzeuge gemacht.

Es lässt sich sagen, dass im Bereich der elektrischen Antriebe mittlerweile deutliche Fortschritte gemacht werden. Der anhaltende Preisverfall bei digitaler Elektronik hat einen Trend zur weit verbreiteten Verwendung bürstenloser Motoren als Ersatz für herkömmliche Motoren geschaffen.

Ein bürstenloser Gleichstrommotor hat eine dreiphasige Wicklung am Stator und einen Permanentmagneten am Rotor. Durch die Statorwicklung wird ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, bei dessen Wechselwirkung der magnetische Rotor beginnt, sich zu bewegen. Um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, wird an die Statorwicklung ein System von dreiphasigen Spannungen angelegt, das unterschiedlich geformt und geformt sein kann verschiedene Wege. Die Bildung von Versorgungsspannungen (Schalten von Wicklungen) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor erfolgt durch spezialisierte Elektronikeinheiten - die Motorsteuerung.

Bürstenlosen Motor bestellenin unserem Katalog

Im einfachsten Fall werden die Wicklungen paarweise mit der Quelle verbunden konstante Spannung und wenn sich der Rotor in Richtung des Magnetfeldvektors der Statorwicklung dreht, wird Spannung an das andere Wicklungspaar angelegt. In diesem Fall nimmt der Statormagnetfeldvektor eine andere Position ein und die Drehung des Rotors wird fortgesetzt. Zum Bestimmen richtiger Moment Anschluss der folgenden Wicklungen wird ein Rotorlagesensor verwendet, am häufigsten werden Hallsensoren verwendet.

Optionen und Sonderfälle

Die derzeit produzierten bürstenlosen Motoren können unterschiedlichste Bauformen aufweisen.

Durch Hinrichtung Ständerwicklung Man unterscheidet zwischen Motoren mit klassischer Wicklung auf Stahlkern und Motoren mit hohlzylindrischer Wicklung ohne Stahlkern. Die klassische Wicklung hat eine viel höhere Induktivität als eine hohlzylindrische Wicklung und dementsprechend eine größere Zeitkonstante. Aus diesem Grund ermöglicht eine hohlzylindrische Wicklung einerseits eine dynamischere Änderung des Stroms (und damit des Drehmoments), andererseits beim Betrieb an einer Motorsteuerung, die eine niederfrequente PWM-Modulation zur Stromglättung verwendet B. Restwelligkeit, sind Filterdrosseln größerer Nennleistung (und damit größer) erforderlich. Außerdem hat die klassische Wicklung in der Regel ein deutlich höheres magnetisches Haltemoment sowie einen geringeren Wirkungsgrad als eine hohlzylindrische Wicklung.

Ein weiterer Unterschied, der trennt verschiedene Modelle Motoren - dies ist die relative Position von Rotor und Stator - es gibt Motoren mit Innenrotor und Motoren mit Außenrotor. Motoren mit Innenläufer haben tendenziell höhere Drehzahlen und ein geringeres Rotorträgheitsmoment als Modelle mit Außenläufer. Dadurch weisen Innenläufermotoren eine höhere Dynamik auf. Außenläufermotoren haben oft ein etwas höheres Nenndrehmoment bei gleichem Motoraußendurchmesser.

Unterschiede zu anderen Motortypen

Unterschiede zum Kollektor DPT. Die Platzierung der Wicklung auf dem Rotor ermöglichte es, auf die Bürsten und den Kollektor zu verzichten und damit das bewegliche loszuwerden elektrischer Kontakt, was die Zuverlässigkeit von DCT mit Permanentmagneten erheblich verringert. Aus dem gleichen Grund neigen bürstenlose Motoren dazu, viel schneller zu laufen als Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten. Dies ermöglicht einerseits eine Steigerung Leistungsdichte bürstenloser Motor hingegen nicht für alle Anwendungen wie z schnelle Geschwindigkeit ist wirklich notwendig

Unterschiede zu permanenterregten Synchronmotoren. Synchronmotoren mit Permanentmagneten auf dem Rotor sind bürstenlosen Gleichstrommotoren im Design sehr ähnlich, es gibt jedoch eine Reihe von Unterschieden. Zum einen vereint der Begriff Synchronmotor viele verschiedene Sorten Motoren, von denen einige für den direkten Betrieb an einem Standardnetz ausgelegt sind Wechselstrom, der andere Teil (z. B. Synchron-Servomotoren) kann nur von Frequenzumrichtern (Motorsteuerungen) betrieben werden. Bürstenlose Motoren, obwohl sie eine Drehstromwicklung am Stator haben, lassen dies nicht zu direkte Arbeit von der Netzspannung und erfordern zwingend das Vorhandensein einer entsprechenden Steuerung. Außerdem Synchronmotoren gehen von einer sinusförmigen Spannungsversorgung aus, während bürstenlose Motoren eine stufenweise Wechselspannungsversorgung (Blockschaltung) zulassen und sogar den Einsatz in Nennbetriebsarten voraussetzen.

Wann braucht man einen bürstenlosen Motor?

Die Antwort auf diese Frage ist ganz einfach - in Fällen, in denen es einen Vorteil gegenüber anderen Motortypen hat. So ist es zum Beispiel in Anwendungen, wo es um einen bürstenlosen Motor geht, fast unmöglich, auf einen bürstenlosen Motor zu verzichten hohe Geschwindigkeiten Drehzahl: über 10000 U/min. Der Einsatz von bürstenlosen Motoren ist auch dort gerechtfertigt, wo eine lange Motorlebensdauer gefordert ist. In Fällen, in denen eine Baugruppe aus einem Motor mit Getriebe verwendet werden muss, ist die Verwendung von bürstenlosen Motoren mit niedriger Drehzahl (mit hoher Polzahl) eindeutig gerechtfertigt. Bürstenlose Hochgeschwindigkeitsmotoren haben in diesem Fall eine Drehzahl, die höher ist als die Drehzahlgrenze des Getriebes, und aus diesem Grund ist es nicht möglich, ihre volle Leistung zu nutzen. Für Anwendungen, bei denen die einfachste Motorsteuerung erforderlich ist (ohne die Verwendung einer Motorsteuerung), ist ein Kollektor-DCT die natürliche Wahl.

Andererseits unter Auflagen erhöhte Temperatur oder erhöhter Strahlung zeigt sich ein Schwachpunkt bürstenloser Motoren - Hallsensoren. Standardmodelle von Hall-Sensoren haben einen begrenzten Strahlungswiderstand und Betriebstemperaturbereich. Wenn in einer solchen Anwendung immer noch ein bürstenloser Motor verwendet werden muss, werden kundenspezifische Versionen mit dem Austausch von Hallsensoren durch widerstandsfähigere gegen diese Faktoren unvermeidlich, was den Preis des Motors und die Lieferzeit erhöht.

In diesem Artikel möchten wir darüber sprechen, wie wir einen Elektromotor aus dem Nichts erschaffen haben: von der Idee und dem ersten Prototypen bis hin zu einem vollwertigen Motor, der alle Tests bestanden hat. Wenn Ihnen dieser Artikel interessant erscheint, werden wir Sie separat ausführlicher über die Phasen unserer Arbeit informieren, die für Sie am interessantesten sind.

Im Bild von links nach rechts: Rotor, Stator, Teilmotormontage, Motormontage

Einführung

Heute, dank der Entwicklung moderne Elektronik und das Aufkommen leistungsstarker Magnete auf Basis von Seltenerdmetallen, ist es möglich, leistungsstärkere und gleichzeitig kompaktere und leichtere „Brushless“-Elektromotoren zu entwickeln. Gleichzeitig sind sie aufgrund der Einfachheit ihres Designs die zuverlässigsten Elektromotoren, die jemals entwickelt wurden. Über die Erstellung eines solchen Motors und wird in diesem Artikel diskutiert.

Motorbeschreibung

Der erste derartige Motor wurde von uns versuchsweise auf einem 3D-Drucker gedruckt. Anstelle von Spezialplatten aus Elektroband haben wir für das Rotorgehäuse und den Statorkern, auf den die Kupferspule gewickelt wurde, gewöhnlichen Kunststoff verwendet. Auf dem Rotor waren Neodym-Magnete mit rechteckigem Querschnitt befestigt. Natürlich konnte ein solcher Motor nicht ausgeben maximale Leistung. Dies reichte jedoch aus, um den Motor auf 20.000 U / min zu drehen, woraufhin der Kunststoff es nicht mehr aushielt und der Rotor des Motors auseinandergerissen wurde und die Magnete verstreut waren. Dieses Experiment hat uns dazu inspiriert, einen vollwertigen Motor zu entwickeln.

Mehrere frühe Prototypen

Wir haben den Rotor des neuen Motors aus einem einzigen zylinderförmigen Neodym-Magneten hergestellt. Der Magnet wurde in einer Pilotanlage mit Epoxid auf eine aus Werkzeugstahl gefräste Welle geklebt.

Wir schneiden den Stator mit einem Laser aus einem Satz Transformatorstahlplatten mit einer Dicke von 0,5 mm. Jede Platte wurde dann sorgfältig lackiert und dann der fertige Stator aus ca. 50 Platten zusammengeklebt. Die Platten wurden lackiert, um einen Kurzschluss zwischen ihnen zu vermeiden und Energieverluste durch Foucault-Ströme, die im Stator auftreten könnten, auszuschließen.

Das Motorgehäuse wurde aus zwei Aluminiumteilen in Form eines Containers gefertigt. Der Stator passt genau in das Aluminiumgehäuse und haftet gut an den Wänden. Dieses Design bietet gute Kühlung Motor.

Leistungsmessung

Das Hauptelement des Ständers ist eine schwere Last in Form einer Unterlegscheibe. Während der Messungen dreht der Motor die angegebene Last und Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung werden die Ausgangsleistung und das Drehmoment des Motors berechnet.

Um die Drehzahl der Last zu messen, ein Magnetpaar auf der Welle und ein Magnet digitaler Sensor A3144 basierend auf dem Hall-Effekt. Natürlich wäre es möglich, die Umdrehungen durch Impulse direkt von den Motorwicklungen zu messen, da dieser Motor ist synchron. Die Option mit Sensor ist jedoch zuverlässiger und funktioniert auch bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten, bei denen die Impulse nicht lesbar sind.

Zusätzlich zu den Umdrehungen kann unser Stand mehrere weitere wichtige Parameter messen:

• Versorgungsstrom (bis zu 30 A) mit einem Stromsensor basierend auf dem Hall-Effekt ACS712;
• Versorgungsspannung. Gemessen direkt durch den ADC des Mikrocontrollers, durch einen Spannungsteiler;
• Temperatur innerhalb/außerhalb des Motors. Die Temperatur wird mittels eines Halbleiterthermowiderstands gemessen;

Dadurch ist unser Stand jederzeit in der Lage, folgende Motorkennwerte zu messen:

• verbrauchter Strom;
• verbrauchte Spannung;
• Energieverbrauch;
• Ausgangsleistung;
• Wellenumdrehungen;
• Moment auf der Welle;
• Macht, die in Hitze abgeht;
• Temperatur im Motor.