Nuolatinės srovės varikliai be šepetėlių naudojami, nes jie yra efektyvūs, patikimi ir reikalauja mažiau priežiūros nei šepečiai. Vietoj šepečių jie naudoja elektroninį komutavimą, kuris pagerina valdymą ir sumažina nusidėvėjimą. Jų veikimas priklauso nuo variklio konstrukcijos, laiko, grįžtamojo ryšio, valdymo metodo, pavaros elektronikos, greičio ir sukimo momento elgesio ir šilumos ribų. Šiame straipsnyje pateikiama informacija apie visus šiuos dalykus.
Bešepetėlių nuolatinės srovės variklio pagrindai
Kas yra nuolatinės srovės variklis be šepetėlių (BLDC)?
Nuolatinės srovės variklis be šepetėlių (BLDC) yra nuolatinio magneto variklis, maitinamas nuolatinės srovės šaltiniu, kuris veikia naudojant elektroninį komutavimą, o ne šepečius ir mechaninį komutatorių. Valdiklis perjungia srovę per statoriaus apvijas suplanuota seka, kad sukurtų besisukantį magnetinį lauką. Rotoriuje yra nuolatiniai magnetai, kurie seka šį besisukantį lauką, kuris sukelia sukimąsi. Kadangi nėra šepečių, trinančių komutatorių, mechaninis nusidėvėjimas sumažėja, priežiūra yra mažesnė, o efektyvumas dažnai yra didesnis. Greitis ir sukimo momentas valdomi pagal tai, kaip valdiklis laiko perjungimą ir reguliuoja įtampą bei srovę.
BLDC vs Brushed DC vs PMSM
Šepečiu nuolatinės srovės varikliai naudoja šepečius ir komutatorių, kad perjungtų srovę variklio viduje, todėl valdymas yra paprastas, tačiau prideda susidėvėjusių dalių. BLDC varikliai pašalina šepečius ir naudoja elektroninį valdiklį statoriaus fazėms perjungti, todėl komutacija atliekama elektroniniu būdu. PMSM varikliuose taip pat naudojami nuolatiniai magnetai ir elektroninis valdymas, todėl jų aparatinė įranga gali atrodyti kaip BLDC variklio. Bendras skirtumas yra tai, kaip formuojama variklio įtampos bangos forma ir kaip valdiklis valdo fazes. BLDC sistemos dažnai siejamos su trapecijos formos ir pakopine komutacija, o PMSM sistemos dažnai siejamos su sinusoidinėmis bangų formomis ir sklandesniais valdymo metodais.
Elektroninis komutavimas ir perjungimo laikas
Nuolatinės srovės variklio be šepetėlių darbo pagrindai
BLDC variklis sukuria judesį, kai statoriaus apvijų srovė sukuria magnetinį lauką, kuris sąveikauja su rotoriaus nuolatiniais magnetais. Valdiklis siunčia srovę į apvijas pasikartojančia tvarka, todėl stipriausia statoriaus magnetinio lauko dalis nuolat juda aplink variklį. Šis kintantis modelis veikia kaip besisukantis magnetinis laukas. Statoriaus laukui judant, rotoriaus magnetai nuolat sukasi, kad liktų su juo. Šis pastovus sekantis veiksmas sukuria nuolatinį sukimąsi ir sukimo momentą.
Perjungimo laikas ir jo poveikis
• Kai perjungimas įvyksta per anksti, statoriaus laukas veda rotoriaus padėtį ir sukimo momentas tampa silpnesnis.
• Kai perjungimas įvyksta per vėlai, statoriaus laukas atsilieka nuo rotoriaus ir padidėja sukimo momento pulsacija.
• Tinkamas perjungimo laikas pagerina sukimo momento efektyvumą ir sumažina triukšmą bei vibraciją.
BLDC variklio konstrukcija ir pagrindiniai komponentai
Pagrindinės variklio dalys
BLDC variklį sudaro statorius, rotorius su nuolatiniais magnetais, oro tarpas, guoliai ir korpusas. Statorius pagamintas iš laminuoto plieno ir turi daugiafazes apvijas, kurios sukuria besisukantį magnetinį lauką. Rotoriuje yra nuolatiniai magnetai, kurie seka šį besisukantį lauką, kad sukurtų judesį. Oro tarpas tarp statoriaus ir rotoriaus turi įtakos magnetinei jungčiai, sukimo momento tankiui ir sklandžiam veikimui. Guoliai palaiko veleną ir daro įtaką trinčiai, vibracijai ir tarnavimo laikui. Korpusas išlaiko mazgą išlygintą ir padeda pašalinti šilumą iš variklio.
Rotoriaus projektavimo veiksniai
Rotoriaus konstrukcija turi įtakos sukimo momentui, greičio elgesiui ir mechaniniam stiprumui. Polių skaičius nustato ryšį tarp elektros komutacijos ir mechaninio sukimosi; Daugiau polių pagerina mažo greičio sukimo momentą, tačiau reikalauja greitesnio elektros perjungimo. Magneto išdėstymas taip pat turi įtakos našumui. Ant paviršiaus montuojami magnetai yra įprasti ir paprasti, o vidiniai magnetai užtikrina geresnį mechaninį išlaikymą esant didesniam greičiui. Magnetinė medžiaga lemia magnetinį stiprumą ir temperatūros stabilumą, daro įtaką sukimo momentui ir patikimumui.
Apvijų jungtys: žvaigždė (Wye) vs Delta
BLDC variklio statoriaus apvijos paprastai sujungiamos žvaigždės (wye) arba delta formos.
| Ryšys | Praktinis poveikis (tipinis) | Ką jis palaiko |
|---|---|---|
| Žvaigždė (Wye) | Didesnis sukimo momentas vienam voltui esant mažesniam greičiui | Stipresnis veikimas mažu greičiu esant ribotai įtampai |
| Delta | Didesnio greičio potencialas esant tai pačiai įtampai | Didesnis apsisukimų dažnis, kai sukimo momento poreikis mažesnis |
Rotoriaus padėties aptikimo ir grįžtamojo ryšio parinktys
Kodėl pavarai reikalinga rotoriaus padėtis?
Valdiklis turi žinoti rotoriaus padėtį (arba ją įvertinti), kad tinkamu laiku galėtų įjungti tinkamas fazes. Be rotoriaus padėties informacijos, komutacijos laikas dreifuoja, sukimo momentas sumažėja ir šildymas padidėja paleidimo ir mažo greičio metu.
"Hall" jutikliai ir kodavimo įrenginiai ir BLDC be jutiklio
• Hall jutikliai: prieinami ir patikimi pagrindiniam komutavimui ir stipriam paleidimo momentui.
• Kodavimo įrenginiai / sprendikliai: naudojami, kai reikalingas tikslus greičio / padėties valdymas.
• Be jutiklio (atgalinio EML pagrindu): mažiau laidų / dalių, bet sunkiau esant labai mažam greičiui ir paleidimui dėl silpno galinio EML.
BLDC komutacijos ir valdymo metodai
Komutacijos stiliai: 6 žingsnių vs sinusoidinis / FOC
| Metodas | Ką veikia valdiklis | Rezultatas |
|---|---|---|
| 6 pakopų (trapecijos formos) | Perjungia fazes atskirais žingsniais | Paprastas ir tvirtas; Galimas didesnis pulsavimas / triukšmas |
| Sinusoidinis / FOC | Valdo sklandžias fazines sroves naudojant vektorinį valdymą | Sklandesnis sukimo momentas; dažnai tylesnis ir efektyvesnis plačiame diapazone |
Kai 6 žingsniai yra prasmingi, palyginti su tuo, kai FOC yra geresnis
Abu metodai veikia gerai, tačiau jie pasirenkami skirtingiems tikslams.
• 6 žingsniai dažnai pasirenkami, kai svarbu paprastumas, kaina ir tvirtumas.
• FOC pasirenkamas, kai sklandus sukimo momentas, mažas triukšmas ir tikslus valdymas yra svarbūs plačiame greičio diapazone.
BLDC pavaros sistemos elektronika
Trifazis keitiklio tiltas
BLDC varikliui reikalinga elektroninė pavara, kad būtų galima atlikti komutaciją. Galios pakopa yra trifazis keitiklis, sudarytas iš šešių jungiklių. Perjungus šiuos įrenginius teisinga seka, pavara nukreipia nuolatinę srovę į variklio fazes ir sukuria besisukantį statoriaus lauką.
Valdiklio vaidmenys
• Maitinimo jungikliai: MOSFET daugelyje BLDC įtampos diapazonų.
• Vartų tvarkyklė + apsauga: saugus perjungimas, neveikiančio laiko valdymas ir gedimų valdymas.
• Valdymo logika (MCU/DSP): komutavimo laikas, PWM valdymas, jutiklio nuskaitymas ir ribų valdymas.
Greitis, sukimo momentas ir stabdymas nuolatinės srovės varikliuose be šepetėlių
Greičio ir sukimo momento valdymas: PWM ir srovės ribos
Greičio valdymas: PWM darbo ciklas keičia efektyvią nuolatinę įtampą į variklį, kuris keičia jo greitį.
Greičio kilpa: valdiklis palygina tikslinį greitį su išmatuotu arba numatomu greičiu ir ištaiso išvestį, jei yra klaida.
Sukimo momentas ir srovė: Variklio sukimo momentas yra glaudžiai susijęs su fazine srove, todėl ribojanti srovė taip pat riboja sukimo momentą.
Srovės ribojimas: pavara stebi srovę ir prireikus sumažina PWM, kad būtų išvengta pažeidimų paleidimo, sustojimo ir staigių apkrovos pokyčių metu.
Krypties keitimas ir stabdymo / regeneravimo pagrindai
• Krypties keitimas: variklis gali veikti priešinga kryptimi, pakeisdamas komutacijos tvarką, o tai keičia fazių seką.
• Stabdymas: pavara gali taikyti sukimo momentą priešinga judėjimo krypčiai, kad kontroliuojamai sulėtintų rotorių.
• Regeneracija: stabdant tinkamomis sąlygomis, variklis gali veikti kaip generatorius ir siųsti energiją atgal į nuolatinės srovės magistralę.
Krypties valdymas, stabdymas ir regeneracija atsiranda dėl to, kaip pavara perjungia variklio fazes ir valdo srovę. Keičiant komutacijos seką ir kontroliuojant sukimo momentą, tas pats BLDC variklis gali važiuoti pirmyn arba atgal, sklandžiai sulėtėti, o kai kuriose sistemose grąžinti dalį energijos į tiekimą.
Nuolatinės srovės variklių be šepetėlių veikimas ir ribos
Kaip greitis ir sukimo momentas veikia BLDC variklyje?
Nuolatinės srovės variklis be šepetėlių nesuteikia vienodo sukimo momento kiekvienu greičiu. Esant mažam greičiui, sukimo momentą riboja srovės pavaros galia. Esant didesniam greičiui, variklis pasiekia tašką, kuriame nuolatinės srovės magistralės įtampa ir atgalinis EML riboja sukimo momentą, kurį gali sukurti pavara. Greičio ir sukimo momento kreivėje tai rodoma kaip plokščia beveik pastovaus sukimo momento sritis esant mažesniam greičiui ir mažėjanti sukimo momento sritis esant didesniam greičiui.
Kokie veiksniai lemia didžiausią BLDC variklio greitį?
• Nuolatinės srovės magistralės įtampa: didesnė nuolatinės srovės magistralės įtampa suteikia daugiau įtampos erdvės įveikti atgalinį EML dideliu greičiu.
• Atgalinis EML (Ke/Kv): Atgalinis EML didėja greičiu ir sumažina įtampą, kurią pavara gali naudoti srovei įstumti į apvijas.
• Valdymo metodas: skirtingi valdymo metodai turi įtakos pavaros sukimo momento palaikymui didėjant greičiui.
• Šiluminiai: apvijų ir elektronikos nuostoliai didėja didėjant greičiui ir apkrovai, todėl variklis gali veikti dideliu greičiu.
Specifikacijos, kurios svarbiausios nuolatinės srovės varikliams be šepetėlių
| Spec terminas (katalogas) | Ką tai jums sako | Kodėl tai svarbu |
|---|---|---|
| Nominali įtampa / nuolatinės srovės magistralės diapazonas | Normalus maitinimo įtampos diapazonas | Nustato galimą greičio diapazoną ir padeda pasirinkti tinkamą pavarą |
| Vardinė srovė / nuolatinė srovė | Srovė, kuri yra saugi ilgam naudojimui | Parodo, kiek šildymas įvyks esant tam tikrai apkrovai |
| Nominali galia (W) | Išėjimo galia tam tikrame taške | Padeda palyginti, kokie stiprūs yra skirtingi varikliai |
| Vardinis sukimo momentas / didžiausias sukimo momentas | Kiek sukimo jėgos gali padaryti variklis | Parodo, kaip jis susidoros su paleidimo ir trumpomis perkrovomis |
| Greitis (RPM) | Normalus darbinio greičio diapazonas | Padeda suderinti variklį su pavaromis ir apkrova |
| Kv / Ke ir Kt konstantos | Susieja greitį, įtampą ir sukimo momentą | Sujungia įtampą ir srovę su realiu variklio veikimu |
| Efektyvumas | Kiek įvesties galios tampa mechanine galia | Turi įtakos šildymui, akumuliatoriaus veikimo laikui ir eksploatavimo išlaidoms |
Efektyvumas, nuostoliai ir šiluma nuolatinės srovės varikliuose be šepetėlių
Nuostolių šaltiniai nuolatinės srovės variklyje be šepetėlių
Nuolatinės srovės variklio sistemoje be šepetėlių ne visa įvesties galia paverčiama naudinga mechanine galia. Dalis jo virsta šiluma variklio ir pavaros viduje. Didžioji dalis šios šilumos gaunama dėl vario nuostolių, šerdies nuostolių ir perjungimo nuostolių, o šie nuostoliai didėja didėjant srovei ir greičiui.
• Vario nuostoliai (I²R): vario nuostoliai atsiranda statoriaus apvijose ir didėja su srove. Didesniam sukimo momentui reikalinga didesnė srovė, todėl didėjant sukimo momento poreikiui didėja vario nuostoliai.
• Šerdies arba geležies praradimas: šerdies praradimas yra susijęs su besikeičiančiu statoriaus magnetiniu lauku. Jis didėja priklausomai nuo elektros dažnio ir srauto lygio, todėl jis tampa reikalingesnis esant didesniam greičiui.
• Perjungimo praradimas: perjungimo nuostoliai atsiranda variklį varančioje galios elektronikoje. Tai priklauso nuo PWM dažnio, perjungimo įtaisų tipo ir srovės, tekančios kiekvieno perjungimo įvykio metu.
Aušinimas ir šiluminė apsauga BLDC sistemose
Šiluminis valdymas reikalingas, kad variklis ir keitiklis neviršytų saugių veikimo ribų. Šiluma turi būti pašalinama per šilumai laidų montavimo kelią ir pakankamą oro srautą, o srovės ribos turėtų būti nustatomos konservatyviai, kai aušinimas yra ribotas arba numatomas ilgas veikimo laikotarpis. Temperatūros jutimas ir terminis atsukimas gali dar labiau apsaugoti sistemą, sumažindami srovę, kai temperatūra tampa per didelė, pagerindami patikimumą ir tarnavimo laiką.
Nuolatinės srovės variklių be šepetėlių pritaikymas
Įprastas nuolatinės srovės variklių be šepetėlių pritaikymas
• Ventiliatoriai ir pūstuvai orui judėti
• Skysčių judėjimo siurbliai
• Elektriniai įrankiai ir smulki technika
• Automatikos ir judesio sistemos
• Robotizuotos jungtys ir pavaros
• Akumuliatorinės transporto priemonės ir įrenginiai
Išvada
Nuolatinės srovės varikliai be šepetėlių veikia derindami nuolatinius magnetus su elektroniniu valdymu, kad judesiai būtų sklandūs ir efektyvūs. Tikrasis jų veikimas priklauso nuo teisingo komutavimo laiko, rotoriaus padėties grįžtamojo ryšio, valdymo metodo, keitiklio veikimo, aušinimo ir tinkamo variklio pavaros suderinimo. Šie veiksniai turi įtakos greičiui, sukimo momentui, efektyvumui ir patikimumui. Jų supratimas padeda paaiškinti, kaip veikia BLDC sistemos, jų ribas ir kas turi įtakos ilgalaikiam veikimui.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kaip BLDC variklis be jutiklio įsijungia iš vietos?
Jis prasideda priverčiant rotorių į žinomą padėtį, tada paleidžiant variklį atviroje kilpoje. Kai variklis pasiekia pakankamą greitį atgaliniam EML aptikimui, valdiklis persijungia į įprastą veikimą be jutiklio.
Kas sukelia triukšmą ir vibraciją BLDC variklyje?
Triukšmą ir vibraciją sukelia rotoriaus disbalansas, nesutapimas, susidėvėję guoliai, sukimo momentas, netolygūs oro tarpai ir PWM perjungimas.
Kaip apkrovos inercija veikia BLDC variklį?
Dėl didelės apkrovos inercijos variklis lėčiau įsibėgėja ir lėtėja. Tai taip pat padidina sukimo momento poreikį ir gali padidinti srovę staigiai keičiant greitį.
Kokie maitinimo ir laidų taškai yra svarbūs BLDC sistemoje?
Maitinimo šaltinis turi atlaikyti didžiausią srovę be įtampos kritimo. Kondensatoriai turi sklandžiai perjungti šuolius, o laidai turi būti tinkamo dydžio, trumpi ir gerai įžeminti, kad sumažėtų triukšmas.
Kokios apsaugos funkcijos naudojamos BLDC diskuose?
BLDC pavaros naudoja apsaugą nuo viršsrovės, viršįtampio, per mažos įtampos, trumpojo jungimo, užstrigimo ir perkaitimo, kad būtų išvengta žalos.
Kaip aplinkos sąlygos veikia BLDC variklį?
Dulkės, drėgmė, šiluma, vibracija ir korozinės sąlygos gali sumažinti našumą, sugadinti dalis ir sutrumpinti variklio tarnavimo laiką.
