Mi az a kefe nélküli motor? Hogyan működik, diagramok és DC típusok magyarázata

Mi az a kefe nélküli motor?

A kefe nélküli motor olyan elektromos motor, amely elektronikusan kommutált mágneses mezőkön keresztül forgási erőt hoz létre, kiküszöbölve a hagyományos kefés motorokban használt fizikai szénkeféket és mechanikus kommutátorgyűrűt. Ahelyett, hogy csúszó elektromos érintkezőkre hagyatkozna a forgórész tekercselésein keresztüli áram irányának váltása érdekében, a kefe nélküli motor egy dedikált elektronikus vezérlőt – az ESC-t (elektronikus fordulatszám-szabályozót) vagy a BLDC-meghajtót – használ az állórész tekercseken áthaladó áram szekvenciálására, pontos időzítéssel a forgórész helyzetével. Maga a rotor állandó mágneseket hordoz, és egyáltalán nincs elektromos csatlakozása.

Ennek az architektúraváltásnak három közvetlen következménye van. Először is, nincs kefesúrlódás vagy ívképződés – ez a hő, a kopás és a hatékonyságvesztés domináns forrása a szálcsiszolt kivitelben. Másodszor, a hőtermelő tekercsek az állórészen vannak, amely közvetlenül érintkezik a motorházzal, és passzívan vagy aktívan hűthető; kefés motornál a forgó rotor belsejében hő halmozódik fel, ahol nehéz eloszlatni. Harmadszor, a kommutáció időzítése szoftveresen optimalizálható bármilyen működési körülményhez, ami lehetővé teszi a motor csúcshatékony működését széles fordulatszám- és terhelési tartományban. A kefe nélküli motorok általában 85-95%-os hatásfokot érnek el , szemben az egyenértékű szálcsiszolt minták 75-80%-ával.

A "kefe nélküli motor" kifejezés leggyakrabban a kefe nélküli egyenáramú motorra (BLDC) utal, amelyet egyenfeszültség táplál, és elektronikus kommutációt használ az AC motor forgó mágneses terének közelítésére. A kefe nélküli váltakozóáramú motorok – beleértve az állandó mágneses szinkronmotorokat (PMSM) is – ugyanazon a fizikai elven működnek, de szinuszos váltóáramú hullámformák hajtják őket trapéz DC kapcsolás helyett. A mindennapi használat során a „kefe nélküli motort” és a „BLDC motort” felváltva használják a fogyasztói elektronikában, az elektromos szerszámokban, a drónokban, az elektromos járművekben és az ipari automatizálásban.

Diagram a Kefe nélküli DC motor : Belső szerkezet

A kefe nélküli egyenáramú motor diagramjának megértéséhez öt funkcionális elem azonosítása szükséges: az állórész, a forgórész, az állandó mágnesek, a Hall-effektus-érzékelők és a külső vezérlő. Ellentétben a szálcsiszolt motor diagrammal – amely a forgó tengelyen lévő szegmentált kommutátorgyűrűhöz nyomódó keféket mutatja – a BLDC diagram az álló külső test összes elektromos bonyolultságát mutatja, egy egyszerű mágnesszerelvénysel, amely belül vagy kívül forog.

Állórész (álló tekercsek)

Az állórész a belső BLDC motor rögzített külső szerkezete (vagy a külső gyűrű belső gyűrűje). Laminált szilíciumacél magokból áll – csillagba vagy kiugró pólus geometriába bélyegezve –, amelyek három fázisba rendezett réztekercsekkel vannak feltekerve: A fázis, B és C fázis. Ez a három fázis vagy csillag (Y) konfigurációban van összekötve, ahol mindhárom tekercsnek van egy közös semleges pontja, vagy delta (Δ) konfigurációban, ahol a tekercsek végét háromszög-vége köti össze. A csillagkábelezés gyakoribb BLDC motorokban, mert alacsony fordulatszámon nagyobb nyomatékot produkál, és leegyszerűsíti a vezérlő kialakítását; A delta vezetékezést részesítjük előnyben, ahol a maximális nagy sebességű teljesítmény az elsődleges.

Az állórész hornyok és a forgórész pólusainak száma határozza meg a motor alapvető karakterét. A 12 nyílásos, 14 pólusú konfiguráció (gyakran a drónmotorokban) egyenletes nyomatékot produkál alacsony fogazás mellett. A 9 nyílásos, 12 pólusú kialakítás népszerű az elektromos kéziszerszámokban a nyomatéksűrűség és a gyártási egyszerűség egyensúlya miatt. A rések és a pólusok száma az elektromos ciklus frekvenciáját is meghatározza – egy 14 pólusú motor mechanikus fordulatonként 7 elektromos ciklust hajt végre, ami azt jelenti, hogy a vezérlőjének 7-szer gyorsabb áramot kell kapcsolnia tengelyfordulatonként, mint egy 2 pólusú motornak azonos fordulatszám mellett.

Rotor (állandó mágnesek)

A befutó BLDC motorban – az elektromos szerszámok, merevlemezek és a legtöbb ipari motor standard konfigurációjában – a forgórész az állórész furatában helyezkedik el. Egy acél tengelyből áll, amelynek felületére állandó mágnesek vannak felszerelve vagy beágyazva. A felületre szerelt mágneses rotorok (SPM) gyártása egyszerűbb, és dominánsak az alacsonyabb költségű kivitelben; a belső állandó mágneses forgórészek (IPM) mágneseket ágyaznak be a rotor rétegelt részébe, ami nagyobb reluktancia nyomatékot és jobb fluxusgyengítést tesz lehetővé kiterjesztett fordulatszám-tartományok esetén. Az elektromos járművek vontatómotorjai szinte univerzálisan IPM forgórészeket használnak.

Az Outrunner BLDC motorok megfordítják ezt a geometriát: az állandó mágnes szerelvény egy rögzített állórész külseje körül forog. Ez nagyobb nyomatékkart biztosít a kifutóknak a nyomaték generálásához, és természetesen alkalmassá teszi őket a közvetlen hajtású alkalmazásokhoz – a drón propellerek és az elektromos kerékpáragymotorok közvetlenül a forgó külső héjra szerelik fel a terhet, kiküszöbölve a sebességváltókat. A lehagyók termelnek nagyobb nyomaték alacsonyabb fordulatszámon mint az egyenértékű befutók, míg a befutók gyorsabban pörögnek, és jobban illeszkednek a nagy sebességű, áttételes alkalmazásokhoz.

Hall effektus érzékelők

A legtöbb BLDC motor három Hall-effektus érzékelőt tartalmaz az állórészbe 120°-os (egyes konfigurációkban 60°-os) osztásközönként. Mindegyik érzékelő érzékeli az elhaladó rotormágnesek mágneses terét, és bináris jelet ad ki – magas vagy alacsony – attól függően, hogy északi vagy déli pólus van-e szomszédos. A három érzékelő együttesen egy 3 bites pozíciókódot (pl. 101, 001, 011, 010, 110, 100) állít elő, amely elektromos ciklusonként hat egyedi állapoton lépked át, így a vezérlő elegendő pozíciófelbontást biztosít ahhoz, hogy meghatározza, melyik állórész fázist kapcsolja be bármikor. Ez a kefe nélküli motor kommutációs logikájának szíve: Hall érzékelő kimenet → a vezérlő dekódolja a rotor helyzetét → kapcsolja a megfelelő fázispárt .

Az érzékelő nélküli BLDC motorok teljesen kihagyják a Hall-érzékelőket, és ehelyett a forgórész helyzetét úgy érzékelik, hogy figyelik a feszültségmentes fázistekercsben generált hátsó EMF-et (elektromotoros erőt), amikor a rotor mágnesei elsöpörnek. Az érzékelő nélküli kialakítások egyszerűbbek, kompaktabbak és olcsóbbak – dominánsak a drónokban, PC-hűtőventilátorokban és berendezésekben –, de megkövetelik, hogy a forgórész már forogjon, mielőtt a hátsó EMF észlelhető lenne. Ez az oka annak, hogy az érzékelő nélküli motoroknak indítási szekvenciára (nyílt hurkú kényszerkommutációra) van szükségük, mielőtt zárt hurkú vissza-EMF-követésre váltanának, és ezért habozhatnak vagy nem indulnak el megbízhatóan nagy terhelés mellett.

Hogyan működnek a kefe nélküli motorok: A kommutációs sorrend

A kefe nélküli motor működési elve az állórész kapcsolható elektromágnesei és a forgórész rögzített állandó mágnesei közötti elektromágneses vonzás és taszítás. A vezérlő folyamatosan forgó mágneses teret hoz létre az állórészben a tekercsek meghatározott sorrendben történő aktiválásával; a rotor állandó mágnesei ezt a forgó mezőt kergetik, és a mágneses nyomatékot mechanikus tengelyforgássá alakítják át.

Egy trapézkommutációval rendelkező háromfázisú BLDC motorban – ez a szokásos megközelítés a Hall-érzékelővel felszerelt motoroknál – a három fázis közül csak kettő kap áramot minden pillanatban. A vezérlő hatlépéses kommutációs szekvenciája a következőképpen működik:

1. 1. lépés: Az A fázis pozitív, a B fázis negatív, a C fázis kikapcsolva. A keletkező mágneses tér a legközelebbi forgórész mágnesét az AB állórész póluspárja felé húzza.
2. 2. lépés: Az A fázis pozitív, a C fázis negatív, a B fázis kikapcsolva. A mező elektromosan 60°-kal elfordul; a rotor követi.
3. 3. lépés: B fázis pozitív, C fázis negatív, A fázis kikapcsolva. A mező további 60°-kal elfordul.
4. 4. lépés: B fázis pozitív, A fázis negatív, C fázis kikapcsolva. A forgatás folytatódik.
5. 5. lépés: C fázis pozitív, A fázis negatív, B fázis ki.
6. 6. lépés: C fázis pozitív, B fázis negatív, A fázis kikapcsolva. Egy teljes elektromos ciklus befejeződött; sorozat ismétlődik.

Minden egyes lépés a feszültség alatt álló mezőt kissé a forgórész jelenlegi helyzete előtt tartja – mint egy sárgarépa állandóan a rotor előtt. A rotor soha nem éri utol, mert amint megközelíti az aktuális terepi pozíciót, a vezérlő a következő lépésre lép. A fordulatszám szabályozása a tekercsekre adott feszültség változtatásával történik , jellemzően PWM-en (impulzusszélesség-moduláció) keresztül a vezérlő háromfázisú inverterhídjának felső kapcsolóin. A nyomatékot a fázisáram nagysága szabályozza. A két változó közötti kapcsolat – és valós idejű optimalizálásuk – az, ami elválasztja az alapvető BLDC-illesztőprogramot a kifinomult mezőorientált vezérlőrendszertől (FOC).

Mező-orientált vezérlés vs trapézkommutáció

A trapéz alakú kommutáció hirtelen vált a hat fokozat között, és nyomaték hullámzást hoz létre – a kimeneti nyomaték periodikus változását – az elektromos frekvencia hatszorosán. Alacsony sebességnél ez a hullámzás hallható zajt és rezgést kelt; nagy sebességnél elhanyagolhatóvá válik. A mezőorientált vezérlés (FOC), más néven szinuszos kommutáció vagy vektorvezérlés, folyamatosan változó szinuszos áramot alkalmaz mindhárom fázisra egyidejűleg, így tökéletesen egyenletesen forgó mágneses teret hoz létre. Az eredmény az közel nulla nyomaték hullámzás, halkabb működés és 5-15%-kal nagyobb hatásfok részterheléseknél. A FOC nagyobb számítási teljesítményt igényel (több tíz MHz-en működő DSP vagy ARM Cortex mikrokontroller) és pontos áramérzékelést igényel mindhárom fázison, ezért a prémium elektromos szerszámok, elektromos járművek és ipari szervohajtások alapfelszereltsége, de kevésbé gyakori a költségérzékeny fogyasztói termékekben.

Kefe nélküli motor vs kefés motor: a teljesítménybeli különbségek, amelyek számítanak

A kefe nélküli villanymotor diagram és a kefés motor diagramja megmutatja az alapvető kompromisszumot: a kefés motorok mechanikusan önkommutálnak (egyszerűbb hajtáselektronika, alacsonyabb rendszerköltség), míg a kefe nélküli motorok a bonyolultságot a vezérlőre helyezik, és cserébe jelentős teljesítményelőnyökhöz jutnak.

A kefeíves ív különösen fontos olyan alkalmazásokban, ahol az EMI (elektromágneses interferencia) aggodalomra ad okot – orvosi eszközök, precíziós mérőberendezések és rádiófrekvenciás rendszerek. A szálcsiszolt motor kommutátora szélessávú elektromos zajt generál a frekvenciaspektrumon keresztül, amely a közeli érzékeny áramkörökhöz kapcsolódhat. Ezzel szemben a kefe nélküli motorok csak a PWM frekvencián és annak harmonikusainál adnak kapcsolási zajt – ez egy kezelhető, kiszámítható interferenciaforrás, amely szabványos EMI-elnyomó komponensekkel szűrhető.

Főbb jellemzők a kefe nélküli egyenáramú motor adatlapján

Egy kefe nélküli egyenáramú motor kiválasztásához számos, egymástól függő specifikáció értelmezésére van szükség, amelyek nem jelennek meg a kefés motor adatlapjain. Ezeknek az adatoknak a megértése megakadályozza a helytelen alkalmazást – különösen a vezérlőkövetelmények alábecsülését, ami a leggyakoribb specifikációs hiba a kefe nélküli motorrendszerek tervezésében.

• KV besorolás (RPM/V) — Az üresjárati fordulatszám, amelyet a motor az alkalmazott egyenáram voltára vetít, és nincs szükség mértékegység-átalakításra. Egy 1000 KV-os motor 12 V-on körülbelül 12 000 ford./perc fordulatszámon forog, terheletlenül. Nagyobb KV = gyorsabb, kisebb nyomaték; kisebb KV = lassabb, nagyobb nyomaték. A drón hajtómotorok általában 300 KV-tól (nagy, lassú kellékek) és 2500 KV-ig (kicsi, gyors támasztékok) terjednek.
• Folyamatos és csúcsáram (A) — A folyamatos áram az a tartós terhelés, amelyet a motor túlmelegedés nélkül képes kezelni; a csúcsáram a pillanatnyi maximum a gyorsítás vagy leállás során. A vezérlő névleges áramának meg kell haladnia a motor csúcsáramát — az ESC alulméretezése FET meghibásodását okozza erős gyorsítás során.
• Fázisellenállás (mΩ) — Tekercsellenállás bármely két fáziskapocs között. A kisebb ellenállás kisebb rézveszteséget (I²R fűtés) jelent adott áram mellett, de nagyobb leállási áramot is jelent, amely károsíthatja a vezérlőt, ha nincs áramkorlát.
• Nyomatékállandó (Nm/A) — A fázisáram amperére jutó kimenő nyomaték, közvetlenül a KV-hoz a Kt = 60/(2π × KV) fordított összefüggés alapján. Ez a szám határozza meg, hogy az alkalmazás mekkora áramot igényel a maximális nyomatékigény mellett.
• Pólusok száma — A vezérlőnek szüksége van a helyes kommutációs frekvencia kiszámításához. A 14 pólusú, 3000 RPM-es motorhoz a vezérlőnek 7 × 3000/60 = 350 elektromos ciklust kell végrehajtania másodpercenként – 2100 kapcsolási esemény másodpercenként minimum trapézkommutáció esetén.
• Szenzoros vs érzékelő nélküli — A motor tartalmaz-e Hall-effektus-érzékelőket. Az érzékelős motorokhoz Hall-érzékelő bemenetekkel rendelkező vezérlőre van szükség; szenzor nélküli motorokhoz vissza-EMF érzékeléssel rendelkező vezérlőre van szükség. Ezek keverése – szenzoros motor érzékelő nélküli vezérlőn való működtetése – megbízhatatlan indítást és potenciál lemágnesezést eredményez.

Ahol a kefe nélküli motorokat használják: Alkalmazások ágazatonként

A kefe nélküli motorok az elmúlt két évtizedben gyakorlatilag minden teljesítménykritikus alkalmazásban felváltották a kefés kialakítást, ami a vezérlők csökkenő költségeinek, valamint a hosszabb szervizintervallumok és a nagyobb teljesítménysűrűség iránti igénynek köszönhető.

Szórakoztató elektronikai cikkek és készülékek

A merevlemez-meghajtó orsómotorjai az első tömegpiaci kefe nélküli alkalmazások közé tartoztak – a precíziós fordulatszám-szabályozás és a merevlemez-orsók hosszú élettartama miatt a kefés motorok a kezdetektől fogva praktikussá váltak. Manapság a PC-hűtőventilátorok, a mosógépek dobmotorjai, a robotporszívók és az akkumulátoros elektromos kéziszerszámok alapfelszereltségként BLDC motorokat használnak. Prémium minőségű akkus fúró-csavarozó kefe nélküli motorral 25-50%-kal hosszabb üzemidő egy töltéssel szemben az azonos feszültség szálcsiszolt megfelelőjével, mert a nagyobb hatásfok több akkumulátorenergiát alakít át hasznos munkává, nem pedig hővé.

Drónok és RC alkalmazások

A többrotoros drónok a tolóerő generálásához teljes mértékben a kifutó BLDC motoroktól függenek – jellemzően háromfázisú, érzékelő nélküli, közvetlen hajtású. A nagy teljesítmény-tömeg arány, a precíz elektronikus fordulatszám-szabályozás és a karbantartást igénylő kefék hiánya miatt a BLDC az egyetlen életképes meghajtási technológia a fogyasztói és kereskedelmi UAV-k számára. Egy tipikus 5 hüvelykes FPV verseny drónmotor (2306 vázméret, 2400 KV) kevesebb, mint 35 g, és csúcsáram mellett több mint 1 kg tolóerőt produkál – ez a teljesítménysűrűség, amelyet a kefés motorok nem képesek megközelíteni.

Elektromos járművek

Az elektromos hajtású motorok túlnyomórészt belső állandó mágneses BLDC (vagy PMSM) kialakításúak, amelyeket a nagyfeszültségű akkumulátorcsomagból származó FOC inverterek vezérelnek. A 3-as modellben a Tesla hátsó motorja kapcsolt reluktancia kialakítású, az első motor azonban PMSM – az országúti vezetés teljes sebességtartományában nyújtott hatékonysága miatt választották ki. A BMW i3 és a legtöbb Hyundai/Kia EV modell IPM BLDC motort használ. A csúcsteljesítmény a kompakt elektromos járművek 150 kW-tól a nagy teljesítményű alkalmazásokban elért 500 kW-ig terjed, és mindezt autóipari minőségű háromfázisú inverterek kezelik mikroszekundumos szintű kapcsolási pontossággal.

Ipari automatizálás és robotika

A CNC szerszámgépekben, robotkarokban és szállítószalag-rendszerekben található szervomotorok szinte kizárólag kefe nélküliek – a FOC vezérlés, a nagy felbontású kódolók és a zárt hurkú visszacsatolás kombinációja mikronon belüli pozicionálási pontosságot és 0,01%-os sebességszabályozást biztosít a terhelés változásai esetén. Robbanásveszélyes gázokkal vagy finom porral szennyezett környezetben (gabonafeldolgozás, vegyi üzemek, bányászat) a zárt házas kefe nélküli motorok kiküszöbölik a kefeíves gyulladás gyulladásának kockázatát, így az ATEX és IECEx veszélyes helyekre vonatkozó tanúsítványokra jogosultak, amelyeknek a kefés motorok nem felelnek meg.