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