DIY borstlös motor för bilar. Borstlösa elmotorer: funktionsprincip, styrning av borstlösa elmotorer

Publicerad 2013-11-04

Delad enhet (Inrunner, Outrunner)

En borstlös DC-motor består av en rotor med permanentmagneter och en stator med lindningar. Det finns två typer av motorer: Inrunner, där rotormagneterna är placerade inuti statorn med lindningar, och Outrunner, där magneterna är placerade utanför och roterar runt en stationär stator med lindningar.

Schema Inrunner används vanligtvis för höghastighetsmotorer med ett litet antal poler. Outrunner skaffa vid behov en motor med högt vridmoment och relativt låga varvtal. Strukturellt är Inrunners enklare på grund av att en stationär stator kan fungera som hus. Fästanordningar kan monteras på den. När det gäller Outrunners, roterar hela exteriören. Motorn fästs med en fast axel eller statordelar. Vid en hjulmotor utförs monteringen på statorns fasta axel, ledningarna leds till statorn genom den ihåliga axeln.

Magneter och stolpar

Antalet poler på rotorn är jämnt. Formen på de använda magneterna är vanligtvis rektangulär. Cylindriska magneter används mer sällan. De är installerade med alternerande stolpar.

Antalet magneter motsvarar inte alltid antalet poler. Flera magneter kan bilda en pol:

I detta fall bildar 8 magneter 4 poler. Storleken på magneterna beror på motorns geometri och motorns egenskaper. Ju starkare magneter som används, desto högre vridmoment utvecklas av motorn på axeln.

Magneterna på rotorn fixeras med speciallim. Design med magnethållare är mindre vanliga. Rotormaterialet kan vara magnetiskt ledande (stål), icke-magnetiskt ledande (aluminiumlegeringar, plaster, etc.), eller kombinerat.

Lindningar och tänder

Lindningen av en trefas borstlös motor är gjord av koppartråd. Tråden kan vara enkelkärnig eller bestå av flera isolerade trådar. Statorn är gjord av flera plåtar av magnetiskt ledande stål hopvikta.

Antalet statortänder måste delas med antalet faser. de där. för trefas borstlös motor antal statortänder måste vara delbart med 3. Antalet statortänder kan antingen vara större eller mindre än antalet poler på rotorn. Till exempel finns det motorer med följande scheman: 9 tänder/12 magneter; 51 tänder/46 magneter.

Motorer med 3-tands stator används extremt sällan. Eftersom endast två faser fungerar vid varje given tidpunkt (när den slås på av en stjärna), verkar magnetiska krafter inte jämnt på rotorn över hela omkretsen (se figur).

Krafterna som verkar på rotorn försöker förvränga den, vilket leder till ökad vibration. För att eliminera denna effekt är statorn gjord med ett stort antal tänder, och lindningen fördelas över tänderna på hela statorns omkrets så jämnt som möjligt.

I detta fall tar de magnetiska krafterna som verkar på rotorn ut varandra. Det finns ingen obalans.

Möjlighet att fördela faslindningar över statortänder

Alternativ för lindning med 9 tänder

12 tänder lindning alternativ

I ovanstående diagram är antalet tänder valt så att det inte bara delbart med 3. Till exempel när 36 tänder står för 12 tänder per fas. 12 tänder kan fördelas så här:

Det mest föredragna schemat är 6 grupper om 2 tänder.

Existerar motor med 51 tänder på statorn! 17 tänder per fas. 17 är ett primtal, den är helt delbar endast med 1 och sig själv. Hur fördelar man lindningen mellan tänderna? Tyvärr kunde jag inte hitta exempel eller tekniker i litteraturen som skulle hjälpa till att lösa detta problem. Det visade sig att lindningen fördelades enligt följande:

Låt oss överväga en riktig lindningskrets.

Observera att lindningen har olika lindningsriktningar på olika tänder. Olika lindningsriktningar indikeras med versaler och versaler. Du kan läsa i detalj om utformningen av lindningar i litteraturen som erbjuds i slutet av artikeln.

Den klassiska lindningen är gjord med en tråd för en fas. De där. alla lindningar på tänderna i en fas är seriekopplade.

Tändernas lindningar kan också kopplas parallellt.

Det kan också finnas kombinerade inneslutningar

Parallell och kombinerad anslutning gör det möjligt att minska lindningsinduktansen, vilket leder till en ökning av statorströmmen (och därmed effekten) och motorns rotationshastighet.

Elektrisk och verklig hastighet

Om motorrotorn har två poler, gör rotorn ett helt varv med ett helt varv av magnetfältet på statorn. Med 4 poler kräver en vridning av motoraxeln ett helt varv två varv av magnetfältet på statorn. Ju fler rotorpoler, desto fler elektriska varv krävs för att rotera motoraxeln per varv. Till exempel har vi 42 magneter på rotorn. För att vrida rotorn ett varv krävs 42/2 = 21 elektriska varv. Denna egenskap kan användas som en slags reducering. Genom att välja önskat antal poler kan du få en motor med önskade hastighetsegenskaper. Dessutom kommer vi att behöva en förståelse för denna process i framtiden när vi väljer regulatorparametrar.

Positionssensorer

Utformningen av motorer utan sensorer skiljer sig från motorer med sensorer endast i frånvaro av den senare. Det finns inga andra grundläggande skillnader. De vanligaste positionssensorerna är de som baseras på Hall-effekten. Sensorerna reagerar på ett magnetfält, de placeras vanligtvis på statorn så att de påverkas av rotormagneterna. Vinkeln mellan sensorerna ska vara 120 grader.

Detta hänvisar till "elektriska" examina. De där. för en flerpolig motor kan det fysiska arrangemanget av sensorerna vara som följer:

Ibland sitter sensorerna utanför motorn. Här är ett exempel på placeringen av sensorerna. Det var faktiskt en sensorlös motor. På ett så enkelt sätt var den utrustad med hallsensorer.

På vissa motorer är sensorerna monterade på en speciell anordning som gör att sensorerna kan flyttas inom vissa gränser. Med en sådan anordning ställs tidsvinkeln in. Men om motorn kräver backning (rotation i motsatt riktning) kommer en andra uppsättning sensorer som är konfigurerade för backning att krävas. Eftersom timingen inte är kritisk vid start och låga hastigheter kan du ställa sensorerna på nollpunkten och justera framvinkeln programmatiskt när motorn börjar rotera.

Huvudmotorns egenskaper

Varje motor är designad för att uppfylla specifika krav och har följande huvudegenskaper:

• Driftläge för vilken motorn är konstruerad: långsiktig eller kortsiktig. Lång driftläge innebär att motorn kan gå i timmar. Sådana motorer är konstruerade på ett sådant sätt att värmeöverföringen till omgivningen är högre än själva motorns värmeavgivning. I det här fallet kommer det inte att värmas upp. Exempel: ventilation, rulltrappa eller transportördrift. Kortsiktigt - innebär att motorn kommer att vara påslagen under en kort period, under vilken den inte kommer att hinna värmas upp till maximal temperatur, följt av en lång period, under vilken motorn hinner svalna. Exempel: hissdrift, elektriska rakapparater, hårtorkar.
• Motorlindningsmotstånd. Motorlindningsmotståndet påverkar motorns effektivitet. Ju lägre motstånd, desto högre effektivitet. Genom att mäta motståndet kan du ta reda på närvaron av en interturn-kortslutning i lindningen. Motorlindningsmotståndet är tusendels ohm. För att mäta det krävs en speciell anordning eller en speciell mätteknik.
• Maximal driftspänning. Den maximala spänningen som statorlindningen tål. Den maximala spänningen är relaterad till följande parameter.
• Maxhastighet. Ibland anger de inte den maximala hastigheten, men Kv – antalet motorvarv per volt utan belastning på axeln. Genom att multiplicera denna indikator med den maximala spänningen får vi det maximala motorvarvtalet utan belastning på axeln.
• Maximal ström. Maximal tillåten lindningsström. Som regel anges också den tid under vilken motorn kan motstå den specificerade strömmen. Den maximala strömbegränsningen är förknippad med eventuell överhettning av lindningen. Därför, vid låga omgivningstemperaturer, blir den faktiska drifttiden med maximal ström längre, och i varmt väder kommer motorn att brinna ut tidigare.
• Maximal motoreffekt. Direkt relaterad till föregående parameter. Detta är den toppeffekt som motorn kan producera under en kort tidsperiod, vanligtvis några sekunder. Vid långvarig drift med maximal effekt är överhettning av motorn och dess fel oundviklig.
• Märkeffekt. Den kraft som motorn kan utveckla under hela tiden den är påslagen.
• Fasförflyttningsvinkel (timing). Statorlindningen har viss induktans, vilket bromsar strömtillväxten i lindningen. Strömmen når sitt maximum efter en tid. För att kompensera för denna fördröjning utförs fasväxling med ett visst förskott. Liknar tändning i en förbränningsmotor, där tändningstiden ställs in med hänsyn till bränslets tändningstid.

Du bör också vara uppmärksam på det faktum att du vid nominell belastning inte får maximal hastighet på motoraxeln. Kv indikerad för en olastad motor. När man driver motorn från batterier bör man ta hänsyn till "sag" av matningsspänningen under belastning, vilket i sin tur också kommer att minska det maximala motorvarvtalet.

Borstlösa motorer är ganska vanliga idag. Dessa enheter används oftast med elektriska enheter. De finns också på olika kylutrustningar. Inom industrisektorn används de i värmesystem.

Dessutom installeras borstlösa modifieringar i konventionella luftkonditioneringsfläktar. Numera finns det många modeller på marknaden med och utan sensorer. Samtidigt skiljer sig ändringarna ganska markant i typen av regulatorer. Men för att förstå denna fråga mer i detalj är det nödvändigt att studera strukturen hos en enkel motor.

Borstlös modellenhet

Om vi ​​betraktar en konventionell trefas borstlös motor, är dess induktor installerad av koppartyp. Statorer används både vid bredd och puls. De har tänder i olika storlekar. Som tidigare nämnt finns det modeller med och utan sensorer.

Kuddar används för att fixera statorn. Själva induktionsprocessen sker på grund av statorlindningen. Rotorer används oftast av tvåpolig typ. Deras kärnor är gjorda av stål. Det finns speciella spår för att fästa magneter på modellerna. Den borstlösa motorn styrs direkt med hjälp av regulatorer placerade nära statorn. För att mata spänning till den externa lindningen är isolerande grindar installerade i enheterna.

Tvåsiffriga modeller

Samlarlös elektrisk Motorer av denna typ används ofta i kylutrustning. Samtidigt är en mängd olika kompressorer lämpliga för dem. I genomsnitt kan modellens effekt nå 3 kW. Den borstlösa spolmotorkretsen innehåller oftast en dubbel typ med en kopparlindning. Endast pulsstatorer är installerade. Beroende på tillverkare kan längden på tänderna variera. Givare används av både elektriska och induktiva typer. Dessa modifieringar är inte lämpliga för värmesystem.

Det bör också beaktas att kärnorna i borstlösa motorer huvudsakligen är gjorda av stål. I det här fallet är spåren för magneterna ganska breda, och de ligger mycket nära varandra. På grund av detta kan frekvensen av enheter vara hög. Regulatorer för sådana modifieringar väljs oftast av en enkanalstyp.

Tre-bitars modifieringar

Den borstlösa motorn med tre urladdningar är utmärkt för ventilationssystem. Dess sensorer är vanligtvis av elektrisk typ. I det här fallet är spolarna installerade ganska breda. På grund av detta genomförs induktionsprocessen snabbt. I det här fallet beror enhetens frekvens på statorn. Dess lindning är oftast av koppartyp.

Tresiffriga borstlösa motorer klarar den maximala spänningen vid 20 V. Tyristormodifieringar är ganska sällsynta nuförtiden. Det bör också noteras att magneter i sådana konfigurationer kan monteras på antingen den yttre eller inre sidan av rotorplattan.

DIY fyra-bitars modifieringar

Att göra en fyrsiffrig borstlös motor med dina egna händer är helt enkelt. För att göra detta måste du först förbereda en tallrik med spår. Tjockleken på metallen bör i detta fall vara cirka 2,3 mm. I denna situation måste spåren vara på ett avstånd av 1,2 cm. Om vi ​​överväger en enkel modell, bör spolen väljas med en diameter på 3,3 cm. I det här fallet måste den motstå tröskelspänningen vid 20 V.

Kuddarna för enheten är oftast valda från stål. I det här fallet beror mycket på rotorplattans storlek. Själva statorn måste användas med dubbellindning. I det här fallet är det viktigt att förbereda kärnan av ståltypen. Om vi ​​överväger modifieringar utan regulatorer, kan vi slutföra monteringen av den borstlösa motorn genom att installera en isolerande grind. I detta fall måste anordningens kontakter föras ut till utsidan av plattan. För en vanlig fläkt är sådana borstlösa modeller idealiska.

Enheter med AVR2-regulator

En borstlös motor med regulatorer av denna typ är mycket populär idag. Dessa system är mest lämpade för luftkonditioneringsapparater. De används också i stor utsträckning i industriella tillämpningar för kylutrustning. De kan arbeta med elektriska enheter av olika frekvenser. Deras spolar är oftast installerade av dubbel typ. I detta fall kan endast pulsstatorer hittas. I sin tur är latitudinella modifieringar inte särskilt vanliga.

Sensorer i borstlösa motorer med regulatorer i denna serie använder endast induktiva. I detta fall kan enhetens frekvens övervakas med hjälp av displaysystemet. Kuddarna är som regel installerade av kontakttyp, och de kan fästas direkt på statorplattan. Den borstlösa motorstyrningen i det här fallet låter dig ändra frekvensen ganska smidigt. Denna process sker genom att ändra utspänningsparametern. I allmänhet är dessa modifieringar mycket kompakta.

Motorer med AVR5 regulatorer

Denna serie borstlösa motor med styrenhet används ofta i industriella applikationer för att styra olika elektriska apparater. Det installeras ganska sällan i hushållsapparater. En egenskap hos sådana borstlösa modifieringar kan kallas ökad frekvens. Samtidigt är det lätt att ändra deras effektparameter. Det finns en mängd olika spolar i dessa modifieringar. Det bör också noteras att magneter oftast är installerade på utsidan av rotorlådan.

Ventilerna är huvudsakligen av den isolerade typen. De kan monteras antingen vid statorlådan eller vid kärnan. I allmänhet sker justering av enheten ganska snabbt. Men nackdelarna med sådana system bör också beaktas. Först och främst är de förknippade med strömavbrott vid låga frekvenser. Det är också viktigt att nämna att modeller av denna typ har ganska hög strömförbrukning. Enheterna är dock inte lämpliga för styrning av integrerade elektriska drivningar.

Använder AVT6-regulatorer

Denna typ av borstlös motorhastighetsregulator är mycket efterfrågad idag. Dess särdrag kan säkert kallas mångsidighet. Regulatorer installeras vanligtvis på borstlösa motorer vars effekt inte överstiger 2 kW. Samtidigt är dessa enheter idealiska för att styra ventilationssystem. I det här fallet kan en mängd olika kontroller installeras.

Signalöverföringshastigheten i detta fall beror på typen av styrsystem. Om vi ​​betraktar tyristormodifikationer har de ganska hög konduktivitet. De har dock sällan problem med magnetiska störningar. Det är ganska svårt att montera en modell av denna typ på egen hand. I denna situation väljs oftast oisolerade grindar.

Modeller med Hall-sensorer

Borstlösa motorer med Hall-sensorer används ofta i värmeapparater. Samtidigt är de lämpliga för elektriska drivningar av olika klasser. Endast enkanalsregulatorer används direkt. Spolarna i enheten är installerade av koppartyp. I det här fallet beror storleken på modellens tänder enbart på tillverkaren. Dynorna för enheterna väljs direkt som kontakttyp. Idag är sensorer oftast installerade på statorsidan. Men det finns även modeller med lägre placering på marknaden. I det här fallet kommer dimensionerna på den borstlösa motorn att vara något större.

Lågfrekventa modifieringar

Lågfrekventa borstlösa motorer används nu aktivt inom industrisektorn. Samtidigt är den idealisk för frysar. I genomsnitt är dess effektivitetsparameter på nivån 70%. Modellernas ventiler används oftast med isolatorer. Samtidigt är tyristormodifieringar ganska vanliga nuförtiden.

Styrsystem används i AVR-serien. Dessutom beror modellens frekvens på typen av kärna och mer. Det bör också beaktas att det finns modeller med dubbla rotorer. I detta fall är magneterna placerade längs plattan. Statorer används oftast med kopparlindningar. Dock är lågfrekventa borstlösa motorer med sensorer mycket sällsynta.

Högfrekventa motorer

Dessa modifieringar anses vara de mest populära för resonanselektriska enheter. I industrin finns sådana modeller ganska ofta. Deras sensorer är installerade både elektroniska och induktiva typer. I detta fall är spolarna oftast placerade på utsidan av plattan. Rotorer monteras i både horisontellt och vertikalt läge.

Direkt ändring av frekvensen för sådana enheter utförs genom kontroller. De är vanligtvis installerade med ett komplext kontaktsystem. Direktstarter används endast av dubbeltyp. Styrsystemen är i sin tur beroende av kraften hos den borstlösa enheten.

Motorer används inom många teknikområden. För att motorrotorn ska rotera måste ett roterande magnetfält finnas. I konventionella DC-motorer åstadkommes denna rotation mekaniskt med hjälp av borstar som glider längs en kommutator. I det här fallet uppstår gnistor, och dessutom, på grund av friktion och slitage på borstarna, kräver sådana motorer konstant underhåll.

Tack vare teknikens utveckling har det blivit möjligt att generera ett roterande magnetfält elektroniskt, vilket var förkroppsligat i borstlösa likströmsmotorer (BLDC).

Enhet och funktionsprincip

Huvudelementen i BDPT är:

• rotor, på vilka permanentmagneter är monterade;
• stator, på vilken lindningarna är installerade;
• elektronisk styrenhet.

Genom designen kan en sådan motor vara av två typer:

med inre rotorarrangemang (inrunner)

med yttre rotorarrangemang (outrunner)

I det första fallet roterar rotorn inuti statorn, och i det andra roterar rotorn runt statorn.

Inrunner typ motor används när det är nödvändigt att uppnå höga rotationshastigheter. Denna motor har en enklare standarddesign som tillåter användning av en fast stator för att montera motorn.

Motor av typen Outrunner Lämplig för att erhålla högt vridmoment vid låga varvtal. I detta fall är motorn monterad med hjälp av en fast axel.

Inrunner typ motor- hög hastighet, lågt vridmoment. Motor av typen Outrunner- låg hastighet, högt vridmoment.

Antalet poler i en BLDC kan vara olika. Genom antalet poler kan man bedöma vissa egenskaper hos motorn. Till exempel har en motor med en rötor med 2 poler ett högre varvtal och lågt vridmoment. Motorer med ett ökat antal poler har mer vridmoment, men färre varv. Genom att ändra antalet rotorpoler kan du ändra motorvarvtalet. Genom att ändra motordesignen kan tillverkaren alltså välja de nödvändiga motorparametrarna vad gäller vridmoment och hastighet.

BDPT-kontroll

Hastighetsregulator, utseende

Används för att styra en borstlös motor specialregulator - motoraxelhastighetsregulator likström. Dess uppgift är att generera och leverera den erforderliga spänningen till önskad lindning vid rätt tidpunkt. Styrenheten för enheter som drivs av ett 220 V-nätverk använder oftast en inverterkrets, där ström med en frekvens på 50 Hz omvandlas först till likström och sedan till signaler med pulsbreddsmodulering (PWM). För att leverera matningsspänning till statorlindningarna används kraftfulla elektroniska omkopplare på bipolära transistorer eller andra kraftelement.

Motorns effekt och hastighet justeras genom att ändra arbetscykeln för pulserna, och följaktligen av det effektiva värdet av spänningen som tillförs motorns statorlindningar.

Schematisk bild av hastighetsregulatorn. K1-K6 - nycklar D1-D3 - rotorpositionssensorer (Hallsensorer)

En viktig fråga är den snabba anslutningen av elektroniska nycklar till varje lindning. För att säkerställa detta regulatorn måste bestämma rotorns position och dess hastighet. För att få sådan information kan optiska eller magnetiska sensorer användas (t.ex. Hallsensorer), såväl som omvända magnetfält.

Mer vanlig användning Hallsensorer, som reagera på närvaron av ett magnetfält. Givarna är placerade på statorn på ett sådant sätt att de påverkas av rotorns magnetfält. I vissa fall är sensorer installerade i enheter som gör att du kan ändra sensorernas position och följaktligen justera tidpunkten.

Rotorhastighetsregulatorerna är mycket känsliga för styrkan av strömmen som passerar genom den. Om du väljer ett uppladdningsbart batteri med högre strömutgång kommer regulatorn att brinna ut! Välj rätt kombination av egenskaper!

Fördelar och nackdelar

Jämfört med konventionella BLDC-motorer har de följande fördelar:

• hög effektivitet;
• hög prestanda;
• möjlighet att ändra rotationshastigheten;
• inga gnistrande borstar;
• små ljud, både inom ljud- och högfrekvensområdet;
• pålitlighet;
• förmåga att motstå vridmomentöverbelastningar;
• excellent förhållande mellan dimensioner och kraft.

Den borstlösa motorn är mycket effektiv. Det kan nå 93-95%.

Den höga tillförlitligheten hos den mekaniska delen av BD:n förklaras av det faktum att den använder kullager och att det inte finns några borstar. Avmagnetisering av permanentmagneter sker ganska långsamt, speciellt om de är gjorda av sällsynta jordartsmetaller. När den används i en strömskyddsregulator är livslängden för denna enhet ganska lång. Faktiskt Livslängden för BLDC-motorn kan bestämmas av kullagrens livslängd.

Nackdelarna med BLDC är kontrollsystemets komplexitet och höga kostnader.

Ansökan

Tillämpningsområdena för BDTP är följande:

• skapande av modeller;
• medicin;
• bilindustrin;
• Olje- och gasindustrin;
• Vitvaror;
• militär utrustning.

Användande Databas för flygplansmodeller ger en betydande fördel i kraft och storlek. En jämförelse av en konventionell kommutatormotor av typen Speed-400 och en Astro Flight 020 BDTP av samma klass visar att den första motortypen har en verkningsgrad på 40-60%. Verkningsgraden för den andra motorn under samma förhållanden kan nå 95%. Användningen av en databas gör det alltså möjligt att öka kraften hos modellens kraftdel eller dess flygtid med nästan 2 gånger.

På grund av lågt ljud och ingen uppvärmning under drift, används BLDC i stor utsträckning inom medicin, särskilt inom tandvård.

I bilar används sådana motorer i fönsterhissar, elektriska vindrutetorkare, strålkastarspolar och elektriska säteslyftsreglage.

Ingen kommutator eller borstgnistor tillåter användning av databaser som element i låsanordningar inom olje- och gasindustrin.

Som exempel på användningen av BD i hushållsapparater kan vi notera tvättmaskinen med direkt trumdrift från LG. Detta företag använder en RDU av typen Outrunner. Det finns 12 magneter på motorrotorn och 36 induktorer på statorn, som är lindade med en tråd med en diameter på 1 mm på kärnor av magnetiskt ledande stål. Spolarna är seriekopplade, 12 stycken per fas. Resistansen för varje fas är 12 ohm. En Hall-givare används som rotorlägesgivare. Motorrotorn är fäst vid tvättmaskinens kar.

Denna motor används flitigt i hårddiskar för datorer, vilket gör dem kompakta, i CD- och DVD-enheter och kylsystem för mikroelektroniska enheter med mera.

Tillsammans med små och medelstora BD-skivor används stora BLDC-motorer alltmer i tunga, marin- och militära industrier.

Kraftfulla databaser är utvecklade för den amerikanska flottan. Till exempel har Powertec utvecklat en 220 kW BDHP med en hastighet på 2000 rpm. Motorns vridmoment når 1080 Nm.

Utöver dessa områden används DB:er i projekt av verktygsmaskiner, pressar, plastbearbetningslinjer, såväl som i vindenergi och användning av flodvågsenergi.

Egenskaper

Huvudmotorns egenskaper:

• märkeffekt;
• maximal kraft;
• maximal ström;
• maximal driftspänning;
• maxhastighet(eller Kv-koefficient);
• lindningsmotstånd;
• fram vinkel;
• driftläge;
• övergripande mått och viktegenskaper motor.

Huvudindikatorn för en motor är dess märkeffekt, det vill säga den effekt som genereras av motorn under en lång driftsperiod.

Maximal kraft- det här är kraften som motorn kan leverera under en kort tidsperiod utan att gå sönder. Till exempel, för Astro Flight 020 borstlösa motor som nämns ovan är den 250 W.

Maximal ström. För Astro Flight 020 är det 25 A.

Maximal driftspänning– spänning som motorlindningarna tål. För Astro Flight 020 är driftspänningsområdet inställt från 6 till 12 V.

Max motorvarvtal. Ibland anger passet Kv-koefficienten - antalet motorvarv per volt. För Astro Flight 020 Kv= 2567 r/V. I detta fall kan den maximala hastigheten bestämmas genom att multiplicera denna koefficient med den maximala driftspänningen.

Vanligtvis lindningsmotstånd för motorer är tiondels eller tusendels ohm. För Astro Flight 020 R= 0,07 Ohm. Detta motstånd påverkar effektiviteten hos BLDC-motorn.

Avancerad vinkel representerar framstegen för omkopplingsspänningar på lindningarna. Det är förknippat med lindningsmotståndets induktiva karaktär.

Driftläget kan vara långsiktigt eller kortsiktigt. I långtidsläge kan motorn gå under lång tid. Samtidigt försvinner värmen som genereras av den helt och den överhettas inte. Motorer fungerar i detta läge, till exempel i fläktar, transportörer eller rulltrappor. Korttidsläge används för enheter som en hiss, en elektrisk rakhyvel. I dessa fall går motorn en kort stund och svalnar sedan under en längre tid.

Motordatabladet visar dess dimensioner och vikt. Dessutom anges till exempel för motorer avsedda för modellflygplan landningsmått och axeldiameter. I synnerhet ges följande egenskaper för Astro Flight 020-motorn:

• längden är 1,75”;
• diameter är 0,98”;
• axeldiameter är 1/8”;
• vikten är 2,5 uns.

Slutsatser:

1. Inom modellering, i olika tekniska produkter, inom industri och försvarsteknik används BLDC, där ett roterande magnetfält genereras av en elektronisk krets.
2. Genom konstruktionen kan BLDC-motorer ha en intern (inrunner) eller extern (outrunner) rotoranordning.
3. Jämfört med andra BLDC-motorer har de ett antal fördelar, de viktigaste är frånvaron av borstar och gnistor, hög effektivitet och hög tillförlitlighet.

Hushålls- och medicinsk utrustning, flygplansmodellering, röravstängningsenheter för gas- och oljeledningar - detta är inte en komplett lista över användningsområden för borstlösa DC-motorer (BD). Låt oss titta på konstruktionen och funktionsprincipen för dessa elektromekaniska ställdon för att bättre förstå deras fördelar och nackdelar.

Allmän information, enhet, tillämpningsområde

En av anledningarna till intresset för BD är det ökade behovet av höghastighetsmikromotorer med exakt positionering. Den interna strukturen för sådana enheter visas i figur 2.

Som du kan se består designen av en rötor (armatur) och en stator, den första har en permanentmagnet (eller flera magneter arrangerade i en viss ordning), och den andra är utrustad med spolar (B) för att skapa ett magnetfält .

Det är anmärkningsvärt att dessa elektromagnetiska mekanismer kan vara antingen med en inre armatur (denna typ av design kan ses i figur 2) eller extern (se figur 3).

Följaktligen har varje design ett specifikt tillämpningsområde. Enheter med inre ankare har hög rotationshastighet, så de används i kylsystem, som kraftverk för drönare etc. Externa rotoraktuatorer används där exakt positionering och vridmomentmotstånd krävs (robotik, medicinsk utrustning, CNC-maskiner, etc.).

Funktionsprincip

Till skillnad från andra enheter, till exempel en asynkron AC-maskin, kräver BD en speciell styrenhet för att fungera, som slår på lindningarna på ett sådant sätt att vektorerna för magnetfälten hos ankaret och statorn är ortogonala mot varandra. Det vill säga, i huvudsak reglerar drivenheten det vridmoment som verkar på DB-ankaret. Denna process visas tydligt i figur 4.

Som du kan se är det för varje rörelse av ankaret nödvändigt att utföra en viss kommutering i statorlindningen av en borstlös motor. Denna funktionsprincip tillåter inte smidig kontroll av rotationen, men gör det möjligt att snabbt få fart.

Skillnader mellan borstade och borstlösa motorer

Drivningen av kollektortyp skiljer sig från BD både i designegenskaper (se fig. 5.) och i funktionsprincipen.

Låt oss titta på designskillnaderna. Från figur 5 kan man se att rotorn (1 i figur 5) hos en motor av kommutatortyp, till skillnad från en borstlös, har spolar med en enkel lindningskrets och permanentmagneter (vanligtvis två) är installerade på statorn (2) i fig. 5). Dessutom är en kommutator installerad på axeln, till vilken borstar är anslutna, som levererar spänning till ankarlindningarna.

Låt oss kort prata om arbetsprincipen för samlarmaskiner. När spänning läggs på en av spolarna exciteras den och ett magnetfält bildas. Den samverkar med permanentmagneter, vilket gör att ankaret och kollektorn som placeras på den roterar. Som ett resultat tillförs ström till den andra lindningen och cykeln upprepas.

Rotationsfrekvensen för en armatur av denna design beror direkt på magnetfältets intensitet, som i sin tur är direkt proportionell mot spänningen. Det vill säga för att öka eller minska hastigheten räcker det att öka eller minska effektnivån. Och för att vända är det nödvändigt att byta polaritet. Denna styrmetod kräver ingen speciell regulator, eftersom hastighetsregulatorn kan göras baserat på ett variabelt motstånd, och en vanlig brytare kommer att fungera som en växelriktare.

Vi diskuterade designfunktionerna för borstlösa motorer i föregående avsnitt. Som du kommer ihåg kräver att ansluta dem en speciell kontroller, utan vilken de helt enkelt inte kommer att fungera. Av samma anledning kan dessa motorer inte användas som generator.

Det är också värt att notera att i vissa frekvensomriktare av denna typ, för effektivare styrning, övervakas rotorpositionerna med hjälp av Hall-sensorer. Detta förbättrar avsevärt egenskaperna hos borstlösa motorer, men ökar kostnaden för en redan dyr design.

Hur startar man en borstlös motor?

För att få enheter av denna typ att fungera behöver du en speciell styrenhet (se fig. 6). Utan den är lansering omöjlig.

Det är ingen idé att montera en sådan enhet själv; det blir billigare och mer pålitligt att köpa en färdig. Du kan välja det baserat på följande egenskaper som är karakteristiska för PWM-kanaldrivrutiner:

• Den maximala tillåtna strömstyrkan, denna egenskap ges för normal drift av enheten. Ganska ofta anger tillverkare denna parameter i modellnamnet (till exempel Phoenix-18). I vissa fall ges ett värde för ett toppläge som styrenheten kan bibehålla i flera sekunder.
• Maximal nominell spänning för kontinuerlig drift.
• Motstånd hos styrenhetens interna kretsar.
• Det tillåtna varvtalet anges i rpm. Utöver detta värde kommer regulatorn inte att tillåta ökande rotation (begränsningen är implementerad på mjukvarunivå). Observera att hastigheten alltid anges för tvåpoliga drivenheter. Om det finns fler polpar, dividera värdet med deras antal. Till exempel är det angivna siffran 60000 rpm, därför kommer rotationshastigheten för en 6-magnetisk motor att vara 60000/3=20000 prm.
• Frekvensen för de genererade pulserna, för de flesta styrenheter sträcker sig denna parameter från 7 till 8 kHz; dyrare modeller låter dig programmera om parametern och öka den till 16 eller 32 kHz.

Observera att de tre första egenskaperna avgör databasens kraft.

Borstlös motorkontroll

Som nämnts ovan styrs omkopplingen av drivlindningarna elektroniskt. För att bestämma när man ska byta övervakar föraren positionen för ankaret med hjälp av Hall-sensorer. Om frekvensomriktaren inte är utrustad med sådana detektorer, beaktas den bakre EMF som uppstår i de oanslutna statorspolarna. Styrenheten, som i huvudsak är ett hårdvaru-mjukvarukomplex, övervakar dessa ändringar och ställer in växlingsordningen.

Trefas borstlös likströmsmotor

De flesta databaser är implementerade i trefasdesign. För att styra en sådan drivenhet har styrenheten en DC-till-tre-fas pulsomvandlare (se fig. 7).

För att förklara hur en sådan ventilmotor fungerar, tillsammans med figur 7, bör du överväga figur 4, som i sin tur visar alla steg i drivenhetens drift. Låt oss skriva ner dem:

1. En positiv impuls appliceras på spolarna "A", medan en negativ impuls appliceras på "B", som ett resultat av att ankaret rör sig. Sensorer registrerar dess rörelse och skickar en signal för nästa byte.
2. Spolen "A" stängs av och en positiv puls går till "C" ("B" förblir oförändrad), sedan skickas en signal till nästa uppsättning pulser.
3. "C" är positivt, "A" är negativt.
4. Ett par "B" och "A" fungerar, som får positiva och negativa impulser.
5. En positiv puls appliceras på nytt till "B" och en negativ puls till "C".
6. Spolarna "A" slås på (+ levereras) och den negativa pulsen på "C" upprepas. Sedan upprepas cykeln.

I den uppenbara enkelheten i kontrollen finns det många svårigheter. Det är nödvändigt att inte bara övervaka ankarets position för att producera nästa serie av pulser, utan också att kontrollera rotationshastigheten genom att justera strömmen i spolarna. Dessutom bör du välja de mest optimala parametrarna för acceleration och bromsning. Det är också värt att komma ihåg att styrenheten måste vara utrustad med en enhet som låter dig styra dess funktion. Utseendet på en sådan multifunktionell enhet kan ses i figur 8.

Fördelar och nackdelar

Den elektriska borstlösa motorn har många fördelar, nämligen:

• Livslängden är betydligt längre än för konventionella samlaranaloger.
• Hög effektivitet.
• Ställ snabbt in maximal rotationshastighet.
• Den är kraftfullare än CD.
• Frånvaron av gnistor under drift gör att drivenheten kan användas under brandfarliga förhållanden.
• Ingen ytterligare kylning krävs.
• Lätt att använda.

Låt oss nu titta på nackdelarna. En betydande nackdel som begränsar användningen av databaser är deras relativt höga kostnad (inklusive priset på föraren). Bland olägenheterna är oförmågan att använda databasen utan drivrutin, även för kortvarig aktivering, till exempel för att kontrollera dess funktionalitet. Problematiska reparationer, speciellt om återlindning krävs.

Publicerad 2014-11-04

Regulatorkrets

Kretsen är konventionellt uppdelad i två delar: den vänstra är mikrokontrollern med logik, den högra är kraftdelen. Effektdelen kan modifieras för att fungera med motorer med annan effekt eller med en annan matningsspänning.

Styrenhet – ATMEGA168. Gourmeter kan säga att det skulle räcka ATMEGA88, A AT90PWM3- Det skulle vara "åtminstone enligt Feng Shui". Jag har precis gjort den första regulatorn "enligt Feng Shui". Om du har möjlighet att använda AT90PWM3– detta kommer att vara det lämpligaste valet. Men för mina idéer var 8 kilobyte minne absolut inte tillräckligt. Så jag använde en mikrokontroller ATMEGA168.

Denna krets var tänkt som en testbänk. På vilken det var tänkt att skapa en universell, anpassningsbar kontroller för att arbeta med olika "kalibrar" av borstlösa motorer: både med sensorer och utan positionssensorer. I den här artikeln kommer jag att beskriva kretsen och funktionsprincipen för styrenhetens firmware för att styra borstlösa motorer med och utan Hall-sensorer.

Näring

Kretsens strömförsörjning är separat. Eftersom nyckeldrivrutiner kräver ström från 10V till 20V, används 12V ström. Mikrokontrollern drivs av en DC-DC-omvandlare monterad på en mikrokrets. Du kan använda en linjär stabilisator med en utspänning på 5V. Det antas att VD-spänningen kan vara från 12V och högre och begränsas av funktionerna hos nyckeldrivrutinen och själva nycklarna.

PWM och signaler för nycklar

Vid utgången OC0B(PD5) mikrokontroller U1 en PWM-signal genereras. Den går till växlarna JP2, JP3. Med dessa omkopplare kan du välja alternativet att tillämpa PWM på tangenterna (på de övre, nedre eller alla tangenter). På diagrammet finns en strömbrytare JP2 inställd på läget för att mata en PWM-signal till de övre tangenterna. Växla JP3 i diagrammet är den inställd på läget för att inaktivera tillförseln av PWM-signal till de nedre tangenterna. Det är inte svårt att gissa att om vi stänger av PWM på de övre och nedre omkopplarna kommer vi att få en permanent "full fart framåt" vid utgången, vilket kan slita motorn eller regulatorn i papperskorgen. Glöm därför inte att vända på huvudet när du byter dem. Om du inte behöver sådana experiment - och du vet vilka switchar du kommer att använda PWM på och vilka du inte kommer att göra, gör bara inte switchar. Efter PWM-omkopplarna går signalen till ingångarna för "&" logikelementen ( U2, U3). Samma logik tar emot 6 signaler från mikrokontrollerns stift PB0..PB5, som är styrsignaler för 6 nycklar. Således, de logiska portarna ( U2, U3) överlagra en PWM-signal på styrsignalerna. Om du är säker på att du kommer att tillämpa PWM, säg, bara på de lägre tangenterna, då onödiga element ( U2) kan uteslutas från kretsen, och motsvarande signaler från mikrokontrollern kan levereras till nyckeldrivrutinerna. De där. Signaler kommer att gå till drivrutinerna för de övre nycklarna direkt från mikrokontrollern och till de nedre - genom logiska element.

Återkoppling (övervakning av motorfasspänning)

Motorfasspänning W,V,U genom resistiva delare W – (17 kr, 25 kr), V – (R18, R24), U – (19 kr, 23 kr) kommer fram till styrenhetens ingång ADC0(PC0), ADC1(PC1), ADC2(PC2). Dessa stift används som komparatoringångar. (I exemplet som beskrivs i AVR444.pdf från företaget Atmel De använder inte komparatorer, utan mäter spänning med hjälp av en ADC. Jag övergav denna metod eftersom ADC-omvandlingstiden inte var lämplig för att driva höghastighetsmotorer). Resistiva delare väljs på ett sådant sätt att spänningen som tillförs mikrokontrollerns ingång inte överstiger det tillåtna värdet. I det här fallet delas motstånden 10K och 5K med 3. Det vill säga. När motorn drivs 12V. kommer att levereras till mikrokontrollern 12V*5K/(10K+5K) = 4V. Referensspänning för komparator (ingång AIN1) matas från halva motorns matningsspänning genom en avdelare ( R5, R6, R7, R8). Observera att motstånd ( R5, R6) är samma till nominellt värde som ( 17 kr, 25 kr), (R18, R24),(19 kr, 23 kr). Därefter halveras spänningen med en delare R7, R8, varefter det går till benet AIN1 intern komparator för mikrokontrollern. Växla JP1 låter dig växla referensspänningen till "mittpunktsspänningen" som genereras av motstånd ( R20, R21, R22). Detta gjordes för experiment och motiverade inte sig självt. Om inte nödvändigt, JP1, R20, R21, R22 kan uteslutas från systemet.

Hallsensorer

Eftersom regulatorn är universell måste den ta emot signaler från Hall-givare om en motor med givare används. Det antas att Hall-sensorer är diskreta, typ SS41. Det är också möjligt att använda andra typer av sensorer med diskret utgång. Signaler från tre sensorer tas emot genom motstånd R11, R12, R13 till växlar JP4, JP5, JP6. Motstånd R16, R15, R14 fungera som pull-up motstånd. C7, C8, C9– filterkondensatorer. Växlar JP4, JP5, JP6 typen av återkoppling till motorn väljs. Förutom att ändra strömbrytarnas läge, i mjukvaruinställningarna för regulatorn, bör du ange lämplig typ av motor ( Sensorlös eller Sensors).

Analoga signalmätningar

Vid ingången ADC5(PC5) genom en avdelare R5, R6 Motorns matningsspänning tillförs. Denna spänning styrs av en mikrokontroller.

Vid ingången ADC3(PC3) En analog signal tas emot från strömsensorn. Strömsensor ACS756SA. Detta är en strömsensor baserad på Hall-effekten. Fördelen med denna sensor är att den inte använder en shunt, vilket innebär att den har ett internt motstånd nära noll, så det finns ingen värmeutveckling på den. Dessutom är sensorutgången analog inom 5V, så den matas till mikrokontrollerns ADC-ingång utan någon konvertering, vilket förenklar kretsen. Om du behöver en sensor med ett större strömmätområde byter du helt enkelt ut den befintliga sensorn mot en ny utan att byta krets alls.

Om du vill använda en shunt med en efterföljande förstärknings- och matchningskrets, vänligen gör det.

Ställa in signaler

Signalinställning av motorvarvtal från potentiometer RV1 går in i ingången ADC4(PC4). Var uppmärksam på motståndet R9– den shuntar signalen vid brott i ledningen till potentiometern.

Dessutom finns en entré R.C. signal, som används flitigt i fjärrstyrda modeller. Valet av styringången och dess kalibrering utförs i styrenhetens mjukvaruinställningar.

UART-gränssnitt

Signaler TX, RX används för att konfigurera regulatorn och ge information om regulatorns tillstånd - motorvarvtal, ström, matningsspänning, etc. För att konfigurera kontrollern kan du ansluta den till USB-porten på din dator med . Konfiguration utförs genom valfritt terminalprogram. Till exempel: Hyperterminal eller Spackel .

Övrig

Det finns också omvända kontakter - mikrokontrollerutgång PD3. Om du stänger dessa kontakter innan du startar motorn kommer motorn att rotera i motsatt riktning.

En lysdiod som indikerar regulatorns status är ansluten till utgången PD4.

Kraftdel

Nyckeldrivrutiner som används IR2101. Denna förare har en fördel - lågt pris. Lämplig för svagströmssystem, för kraftfulla nycklar IR2101 kommer att vara svag. En drivrutin styr två "N"-kanals MOSFET-transistorer (övre och nedre). Vi behöver tre sådana mikrokretsar.

Nycklar måste väljas beroende på motorns maximala ström och matningsspänning (en separat artikel kommer att ägnas åt valet av nycklar och drivrutiner). Diagrammet visar IR540, faktiskt användes K3069. K3069 designad för spänning 60V och ström 75A. Detta är helt klart för mycket, men jag fick dem gratis i stora mängder (jag önskar er samma lycka).

Kondensator C19 slås på parallellt med matningsbatteriet. Ju större kapacitet desto bättre. Denna kondensator skyddar batteriet från strömstötar och nycklarna från betydande spänningsfall. I avsaknad av denna kondensator är du garanterad, åtminstone, att ha problem med nycklarna. Om du kopplar batteriet direkt till VD– en gnista kan hoppa. Gnistdämpningsmotstånd R32 används när den är ansluten till strömbatteriet. Vi ansluter omedelbart " – "batterier, sedan servera" + " kontakta Antignista. Ström flyter genom motståndet och laddar smidigt kondensatorn C19. Efter några sekunder ansluter du batterikontakten till VD. Med en 12V strömförsörjning kan du inte göra Antispark.

Firmware-funktioner

• förmågan att styra motorer med och utan sensorer;
• för en sensorlös motor finns det tre typer av start: utan att bestämma startpositionen; med bestämning av den ursprungliga positionen; kombinerad;
• justering av fasförskjutningsvinkeln för en sensorlös motor i steg om 1 grad;
• möjligheten att använda en av två masteringångar: 1-analog, 2-RC;
• kalibrering av insignaler;
• motorreversering;
• ställa in regulatorn via UART-porten och ta emot data från regulatorn under drift (rpm, ström, batterispänning);
• PWM-frekvens 16,32 KHz.
• ställa in PWM-signalnivån för att starta motorn;
• Batterispänningskontroll. Två trösklar: limit och cutoff. När batterispänningen sjunker till begränsningströskeln minskar motorvarvtalet. När man faller under cut-off tröskeln uppstår ett fullständigt stopp;
• motorströmstyrning. Två trösklar: begränsning och cutoff;
• justerbar styrsignaldämpare;
• inställning av dödtid för nycklar

Regulatordrift

Inkludering

Matningsspänningen för regulatorn och motorn är separata, så frågan kan uppstå: i vilken sekvens ska spänningen appliceras. Jag rekommenderar att du lägger spänning på regulatorkretsen. Och anslut sedan motorns matningsspänning. Även om det inte var några problem med den andra sekvensen. Följaktligen var det inga problem när man lade på spänning samtidigt.

Efter påslagning avger motorn 1 kort signal (om ljudet inte är avstängt), lysdioden tänds och lyser konstant. Regulatorn är klar för drift.

För att starta motorn måste värdet på kommandosignalen ökas. Om en masterpotentiometer används startar motorn när kommandospänningen når cirka 0,14 V. Vid behov kan du kalibrera insignalen, vilket gör att du kan använda tidigare intervall av styrspänningar. Standardsignalspjället är konfigurerat. Med ett kraftigt hopp i den inställda signalen kommer motorvarvtalet att öka mjukt. Spjället har en asymmetrisk egenskap. Hastighetsåterställningen sker utan fördröjning. Vid behov kan spjället justeras eller stängas av helt.

Lansera

Den sensorlösa motorn startas med startspänningsnivån inställd i inställningarna. I startögonblicket spelar inte gasspakens läge någon roll. Om startförsöket misslyckas, upprepas startförsöket tills motorn börjar rotera normalt. Om motorn inte kan starta inom 2-3 sekunder bör du sluta försöka, ta bort gasen och fortsätta med att justera regulatorn.

När motorn stannar eller rotorn fastnar mekaniskt utlöses skyddet och regulatorn försöker starta om motorn.

Start av en motor med Hall-sensorer utförs också med hjälp av motorstartinställningarna. De där. Om du ger full gas för att starta motorn med sensorer kommer regulatorn att leverera den spänning som anges i startinställningarna. Och först efter att motorn börjar rotera kommer full spänning att appliceras. Detta är något ovanligt för en sensormotor, eftersom sådana motorer främst används som dragmotorer, och i det här fallet kan det vara svårt att uppnå maximalt vridmoment vid lansering. Denna regulator har dock en funktion som skyddar motorn och regulatorn från fel på grund av mekanisk fastklämning av motorn.

Under drift tillhandahåller regulatorn data om motorvarvtal, ström, batterispänning via UART-porten i formatet:

E: lägsta batterispänning: max batterispänning: maxström: motorvarvtal (rpm) A: aktuell batterispänning: strömström: aktuellt motorvarvtal (rpm)

Data ges ut med intervaller på cirka 1 sekund. Överföringshastighet på port 9600.

Regulatorinställning

För att konfigurera styrenheten måste den vara ansluten till datorn med . Överföringshastighet på port 9600.

Regulatorn växlar till inställningsläget när regulatorn slås på, när potentiometerinställningssignalen är större än noll. De där. För att växla regulatorn till inställningsläget, vrid på ratten på inställningspotentiometern och slå sedan på regulatorn. En prompt visas i terminalen i form av symbolen " > ". Därefter kan du ange kommandon.

Styrenheten accepterar följande kommandon (uppsättningen inställningar och kommandon kan skilja sig åt i olika firmwareversioner):

h– visa en lista med kommandon;
? – utdata av inställningar;
c– Kalibrering av körsignalen;
d– återställ inställningarna till fabriksinställningarna.

team" ? ” visar i terminalen en lista över alla tillgängliga inställningar och deras betydelse. Till exempel:

Motor.type=0 motor.magnets=12 motor.angle=7 motor.start.type=0 motor.start.time=10 pwm=32 pwm.start=15 pwm.min=10 voltage.limit=128 voltage.cutoff =120 current.limit=200 current.cutoff=250 system.sound=1 system.input=0 system.damper=10 system.deadtime=1

Du kan ändra önskad inställning med ett kommando i följande format:

<настройка>=<значение>

Till exempel:

pwm.start=15

Om kommandot gavs korrekt kommer inställningen att tillämpas och sparas. Du kan kontrollera de aktuella inställningarna efter att ha ändrat dem med kommandot " ? “.

Mätningar av analoga signaler (spänning, ström) utförs med hjälp av en ADC-mikrokontroller. ADC:n arbetar i 8-bitarsläge. Mätnoggrannheten är avsiktligt sänkt för att säkerställa en acceptabel analog signalomvandlingshastighet. Följaktligen matar styrenheten ut alla analoga värden i form av ett 8-bitars nummer, dvs. från 0 till 255.

Syftet med inställningarna:

Lista över inställningar, deras beskrivning:

* – numeriskt värde för 8-bitars analog-till-digital-omvandlaren.
Beräknas med formeln: ADC = (U*R6/(R5+R6))*255/5
Var: U– spänning i volt; R5, R6– resistans för delarmotstånden i ohm.