Download presentation
Presentation is loading. Please wait.
1
Prof. Ing. Valéria Hrabovcová PhD
Bezkefové (bezkartáčové) jednosmerné motory s permanentnými magnetmi (Brushless DC permanent magnet motors BLDC) Prof. Ing. Valéria Hrabovcová PhD
2
Vývoj a súčasný stav elektrických strojov (ES)
Nové trendy vo vývoji elektrických strojov sú ovplyvnené objavmi v oblasti: Výkonovej elektroniky Supravodivých materiálov Permanentných magnetov
3
Objavy prvkov výkonovej elektroniky
1948 – tranzistor – prvá elektronická revolúcia 1956 – tyristor – druhá elektronická revolúcia Moderná éra informačných technológií (umožnili rozšírenie pôsobenie elektrických strojov v aplikáciách ktoré neboli možné pri napájaní U=konšt., f=konšt.) Dnes existujú stroje, ktoré bez polovodičových meničov nie sú schopné prevádzky (BLDC, SRM, krokový motor, PMSM,...)
4
Vlastnosti permanentných magnetov (PM)
Charakteristické veličiny: Maximálny energetický súčin BHmax Remanentná magnetická indukcia Br Koercitívna sila Hc Tvar BH charakteristiky v II. kvadrante
5
Vývoj BHmax materiálov PM
6
Ideálna BH charakteristika PM
7
Feromagnetické materiály
8
BH charakteristiky PM materiálov
9
Charakteristické veličiny PM materiálov (2013)
BHmax (kJm-3) Br (T) Hc (kAm-1) NdFeB SmCo Ferit 7 - 42 Alnico 0.6 – 1.16
10
Vývoj bezkefových motorov
11
Možnosti uloženia PM SPM (Surface Permanent Magnet)- na povrchu rotora uložené PM IPM ((Interior Permanent Magnet)- vo vnútri rotora uložené PM
12
1. riadok: Klasické elektrické stroje- charakteristika
Vytvárajú konštantný hladký moment bez zvlnenia (resp. s malým zvlnením ) Pracujú na čistej jednosmernej alebo striedavej sínusovej sieti Môžu sa rozbehnúť po pripojení na túto jednosmernú alebo striedavú sínusovú sieť a pracovať na nej bez elektronického regulátora Sú schopné spolupracovať s elektronickými regulátormi aby sa ich rýchlosť mohla vhodne regulovať
13
1. stĺpec: Vývoj jednosmerných motorov
Druhý riadok Budiace vinutie nahradené PM na statore Rotor ostáva bez zmeny- komutátor + kefy Tretí riadok Inverzná konštrukcia t.j. budenie PM na rotore, cievky kotvy na statore napojené na elektronický komutátor – bezkefový jednosmerný motor s PM (BLDC)
14
2. stĺpec: Vývoj synchrónnych motorov
Druhý riadok Budiace vinutie nahradené PM na rotore- nepotrebuje kefy (bezkefový synchrónny motor s permanentnými magnetmi - PMSM) Stator ostáva bez zmeny Tretí riadok Synchrónny motor s vyjadrenými pólmi bez budenia t.j. reluktančný synchrónny motor
15
3. stĺpec: Asynchrónny motor
Prvý riadok Rotor s klietkou nakrátko resp. s vinutou kotvou Tretí riadok Krokový alebo spínaný reluktančný motor- nová generácia elektrických strojov, ktorá pracuje len s polovodičovými meničmi
16
Princíp činnosti bezkefových jednosmerných motorov BLDC
Spínač kefa – lamela nahradiť polovodičovými prvkami Použiť najmenší možný počet cievok kotvy t.j. tri Stator má trojfázové vinutie
17
drážkové a bezdrážkové
Druhy vinutí kotvy- drážkové a bezdrážkové Vinutie uložené v drážkach q – počet drážok na pól a fázu q - celé číslo q – zlomok- zlomkové vinutie 1) Rozložené 3f vinutie dlhšie čelá vinutia rozpätie cievky rovné pólovému rozstupu hladší priebeh Ui menšie zvlnenie momentu (cogging torque, ripple torque) zložitejšia výroba 2) Koncentrované (sústredené) 3f vinutie kratšie čelá vinutia rozpätie cievky rovné zubovému rozstupu vyšší obsah harmonických zložiek v Ui vyššie zvlnenie momentu(cogging torque, ripple torque) jednoduchšia výroba- veľmi často využívané v BLDC
18
Rozložené vinutie, pohľad na detail cievky a bandážované čelá vinutia
19
Rozložené vinutie v drážkach
20
Sústredené cievky, detail zuba a cievky
21
Vinutie uložené v drážkach
q = 1, Q = 6, m = 3, 2p = 2 Rozložené vinutie, stav naprázdno q = 1, Q = 6, m = 3, 2p = 2 Sústredené vinutie, stav naprázdno
22
Sústredené zlomkové vinutie
q = 1/2, Q = 6, m = 3, 2p = 4 jednovrstvové q = 1/2, Q = 6, m = 3, 2p = 4 dvojvrstvové
23
E-kolobežka s BLDC motorom
Rotor s PM na povrchu rotora (2p=8) Sústredené zlomkové vinutie statora (Q=12, m= 3, 2p=8, q= 1/2)
24
E-kolobežka s BLDC motorom
Prevod medzi rotorom a vonkajším obehovým kolesom Umiestnenie 3 Hallových sond
25
Bezdrážkové vinutia 1) Jednoduchá výroba
2)Nevytvára „cogging torque“, tj. moment spôsobený premenlivou magnetickou vodivosťou vo vzduchovej medzere kvôli drážkovaniu statora, alebo rotora, alebo oboch členov 3) Veľká efektívna vzduchová medzera 4)Upevnenie je dané vlastnosťami lepidiel a technologickými postupmi
26
Napájanie trojfázového vinutia kotvy BLDC polovodičovým meničom
Polovodičový menič sa skladá z troch vetiev tranzistorov a spätných diód po dvoch v každej vetve t.j. najjednoduchšia konštrukcia s troma fázami potrebuje 6+6 polovodičových prvkov stredy jednotlivých vetiev sú pripojené a fázy vinutia a jednotlivé tranzistory sú riadené mikropočítačom kde je implementovaný riadiaci algoritmus 6stupňová komutácia Táto 6stupňová komutácia vyžaduje informáciu o polohe rotora
27
Znalosť polohy rotora 2) BLDC- potrebný snímač polohy
možnosti riadenia: snímačové (Hallove sondy, fototranzistory) bezsnímačové stratégia spínania tranzistorov polovodičového meniča spínajú sa vždy len dve fázy t.j. riadi sa len jeden prúd spínanie sa uskutoční v správnom okamžiku tak aby sa vytvoril maximálny moment t.j. magnetický tok statorového poľa rotorového PM sú posunuté o 90° 1) Klasický jednosmerný motor komutátor + kefy: kefy zabezpečia, že vodič so správnym smerom prúdu je pod správnym magnetickým pólom
28
Stav naprázdno 1) Rozložené 3f vinutie
2) Koncentrované (sústredené) 3f vinutie
29
Priebehy napätia v jednotlivých fázach pri spínaní BLDC – spínacie vzory
30
Polohy rotora pri zaťažení vo vzťahu k spínacím stavom BLDC
31
Snímanie polohy pomocou Hallovej sondy
Princíp činnosti Hallovej sondy
32
Najjednoduchší prípad s jedným vinutím
Jedna Hallova sonda nestačí –potreba viacerých (aspoň troch)-pozri 22 Z mŕtvej polohy by sa BLDC nerozbehol
33
Beznímačové riadenie Priebeh indukovaného napätia v jednotlivých fázach θel [°] fáza „A“ fáza „B“ fáza „C“ Beznímačové riadenie je založené na princípe merania prechodu indukovaného napätia nulou lebo sa predpokladá, že vždy jedna fáza vinutia motora je odpojená od zdroja (pozri 29)
34
Zvlnenie momentu BLDC Lichobežníkový tvar indukovaného napätia Ui
takmer obdĺžnikový tvar prúdu- okamžitá zmena prúdu nie je možná z toho vyplýva zákmit pri každom okamžiku komutácie (spínania) každých 60°, z čoho vyplýva zvlnenie momentu UiA IA UiB IB UiC IC
35
Skutočný priebeh Bδ a výpočet UiPM
36
Skutočný priebeh UiPM Simulované Merané
Efektívna hodnota indukovaného napätia 132,5 V
37
Priebeh momentu BLDC 1) Ui – lichobežníkový priebeh, Ia lichobežníkový priebeh (pravouhlý) → M takmer konštanta 2) Ui – lichobežníkový priebeh, Ia sínusový priebeh alebo Ui – sínusový priebeh, Ia , alebo lichobežníkový priebeh→ M = moment nie je konštantný, je zložený z častí sínusového priebehu a je menší 3) Ui – sínusový priebeh, Ia sínusový priebeh → M = konštanta (SMPM, RSM, synchrónny)
38
Zapojenie trojfázového vinutia do hviezdy – vyžaduje PM na rozpätí 180°el.
39
Zapojenie trojfázového vinutia do trojuholníka – vyžaduje PM na rozpätí 120°el.
40
Činnosť SMPM Rozloženie Bδ je sínusové (alebo kvázisínusové)– ako v synchrónnych strojoch s klasickým elektromagnetickým budením Bδ sa docieli tvarom PM Sínusový (alebo kvázisínusový) tvar krivky prúdu vo vinutí kotvy Pri konštantnom napätí sa docieli metódou ŠIM prúdového meniča podľa okamžitej polohy rotora tak aby pracoval len s priečnym poľom kotvy, čo je vlastne vektorovo riadený synchrónny motor s uzavretou riadiacou slučkou od snímača polohy. Inak povedané, fázový prúd sa riadi tak, že statorové a rotorové magnetické polia sú na seba kolmé ako v klasických jednosmerných strojoch Nároky na snímač polohy sú vysoké je potrebné snímať polohu rotora čo najjemnejšie vzhľadom na sínusový priebeh magnetického poľa Bδ
41
Vlastnosti BLDC a SMPM Porovnanie BLDC a SMPM BLDC SMPM
bezkefový jednosmerný stroj synchrónny stroj napájaný jednosmernými prúdmi napájaný sínusovými prúdmi lichobežníkový tvar indukovaného napätia sínusový tvar indukovaného napätia komutácia polohy statorového toku každých 60° súvislá zmena polohy statorového toku v činnosti vždy dve fázy v rovnakom čase- reguluje sa len jeden prúd pretekajúci dvoma fázami možné mať v činnosti tri fázy v rovnakom čase- reguluje sa prúd vo všetkých troch fázach zvlnenie momentu pri komutácii bez zvlnenia momentu pri komutácii nízky rád harmonických zložiek prúdov je v počuteľnom spektre menej harmonických zložiek kvôli sínusovému budeniu vyššie straty v železe vplyvom obsahu harmonických zložiek menšie straty v železe menšie spínacie straty vyššie spínacie straty pri rovnakej frekvencii riadenie je relatívne jednoduché náročnejšie riadiace techniky, nákladný menič, ktorého cena je pri malých motoroch porovnateľná s cenou motora
42
Záver: Chaos v terminológii:
názvy BLDC a SMPM sa miešajú dokonca tak, že sa dozviete, že BLDC je SMPM a pod. Kým pojmy nie sú normalizované, je na preferencii autorov, aké pojmy budú používať- nejednoznačnosť škodí porozumeniu problematiky Čo sa v súčasnosti skúma: Vplyv tvaru PM a štruktúry statorového vinutia na priebeh magnetickej indukcie vo vzduchovej medzere, indukovaného napätia a hlavne zvlnenia momentu „Low cost“, čiže nízko nákladové konštrukcie motorov a vplyv tohto spôsobu výroby na vlastnosti BLDC motorov (nekvalitná, nepresná výroba, nekvalitné plechy, excentricita rotora, a pod.) Riadiace techniky- snímačové, bezsnímačové, tak, aby sa dosiahol konštantný moment a nehlučný chod „Fault- tolerant system“- bezpečná prevádzka odolná poruchám Témy na DP: -Pomocou MKP skúmať vplyv tvaru PM a druhu vinutia statora na vlastnosti BLDC (veľkosť momentu, zvlnenie momentu a pod.) -Simulácie ustálených a prechodových javov BLDC Vplyv nízkonákladových konštrukcií na vlastnosti BLDC Riadenie vhodné pre nízkonákladové konštrukcie – dajú sa riadením vylepšiť vlastnosti zhoršené konštrukciou stroja? Bezpečná prevádzka – vyšetrovanie vlastnosti BLDC pri poruchách, atď. Literatúra na ďalšie štúdium:
43
Literatúra Pyrhönen, J., Jokinen, T., Hrabovcová, V.: Design of Rotating Electrical Machines, John Wiley & Sons, Ltd, second edition, 2013, ISBN: Hrabovcová, V., Rafajdus, P.: Elektrické stroje. Teória a príklady, Žilina: EDIS, Žilinská univerzita v Žiline, 2009, ISBN Hrabovcová, V., Janoušek, L., Rafajdus, P., Ličko, M.: Moderné elektrické stroje, Žilina: EDIS, Žilinská univerzita v Žiline, 2001, 265 s. ISBN Hrabovcová, V. a kol.: Meranie a modelovanie elektrických strojov. Žilina: EDIS, Žilinská univerzita, s. ISBN Bilal Akin, Manish Bhardwaj, Trapezoidal Control of BLDC Motors Using Hall Effect Sensors, Application note, Texas Instruments, 2000 Jaroslav Lebka, Pavel Grasblum, Použití mikroprocesorů pro řízení pohonů s BLDC motory, Učební texty ke kurzu, Freescale Semiconductor, 2011 Sekerák, P., Hrabovcová, V., Pyrhönen, J., Kalamen, L., Rafajdus, P., Onufer, M.: Comparison of Synchronous Motors with Different Permanent Magnet and Winding Types, IEEE Tansactions on Magnetics, 2013
Similar presentations
© 2025 SlidePlayer.com. Inc.
All rights reserved.