1. 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 sú vždy dve fázy v rovnakom čase- reguluje sa len jeden prúd pretekajúci dvoma fázami. Tretia fáza je nezapojená, a môže byť využitá na snímanie Ui a tým aj na určenie polohy, resp. uhlovej rýchlosti.
je možné mať v činnosti tri fázy v tom istom čase- reguluje sa prúd vo všetkých troch fázach. Bezsnímačové algoritmy riadenia pre PMSM sú oveľa zložitejšie, čoho následkom je opätovné zvýšenie výpočtového výkonu mikropočítača.
zvlnenie momentu pri komutácii (nasadzuje sa tam, kde zvlnenie momentu nie je prekážkou, napr. ventilátory, čerpadlá, alebo napr. na pohon skútrov, kde vysoký moment zotrvačnosti odfiltruje toto zvlnenie)
bez zvlnenia momentu pri komutácii (teoreticky, prakticky áno, lebo PMSM motory nemajú ideálny sínusový priebeh Ui)
nízky rád harmonických zložiek prúdov je v počuteľnom spektre
menej harmonických zložiek vďaka 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, BLDC sa hodí pre lacné pohony
náročnejšie riadiace techniky, nákladný menič, ktorého cena je pri malých motoroch porovnateľná s cenou motora

2. Požiadavka na výpočtový výkon: stredná
Vlastnosti BLDC a SMPM-pokračovanie
Porovnanie BLDC a SMPM
BLDC
SMPM
Požiadavka na výpočtový výkon: stredná
Dopad na reálnu aplikáciu: Pri vysokorýchlostných aplikáciách je dĺžka výpočtu algoritmu riadenia určujúca pri výbere vhodnej vzorkovacej frekvencie, ktorá by mala byť čo najvyššia
Vysoká
Príklad: Ak FOC riadenie PM motora trvá 100 us, tak riadiaca slučka nemôže bežať rýchlejšie ako 10 kHz. Pre rovnaký typ PM motora bude 6-stupňové riadenie trvať 50 us, to znamená že riadiaca slučka sa môže zvýšiť až na 20 kHz, čo môže mať pozitívny vplyv na kvalitu riadenia
Typ riadenia: 6-step control (6 stupňové riadenie)- kladie nižšie nároky na výpočtový výkon použitého mikropočítača
FOC (Field Oriented Control- Vektorové riadenie)- vysoké nároky na výpočtový výkon mikropočítača
Účinnosť: vysoká
vysoká

3. BLDC aplikácie – Drone (bezpilotné lietadlo)
Bloková schéma HW konceptu
Funkčná vzorka Drone (0,5 x 0,5 x 0,3 m)
Flight controller: vyhodnocuje poveternostné podmienky a zabezpečuje letovú prevádzku t.j. posiela riadiace signály pre všetky motory.
MCU (Micro Controller Unit): zabezpečuje riadenie BLDC motorov (6-step controll)
Keby bola požiadavka na 4xPMSM motory, tak by to MCU neuriadil práve kvôli nárokom na výpočet FOC algoritmu.
ESC – electronic speed controller
Parametre BLDC:
4x BLDC motor, počet pólových dvojíc 7, mec rpm
Riadenie: bezsnímačové 6-step riadenie
Parametre Drone:
Ťahová sila 1.2 Kg, celková spotreba 30A pri 12V DC

4. BLDC aplikácie - Drone

5. BLDC aplikácie – Palivová pumpa
Aplikácia: Palivová pumpa do motocykla Yamaha
Motor: BLDC,
počet pólových dvojích 4,
mechanická rýchlosť rpm
12V, IN= 3A
Riadenie: bezsnímčové 6-step komutačné riadenie
Kritická požiadavka: rýchly rozbeh motora, nábeh z 0 na 10k rpm za 10 ms
Skrátenie reakčných časov motora (10 ms) vedie na plynulejšie/pružnejšie riadenie motocykla.

6. BLDC aplikácie: E- bicykle, skútre – e-bikes, Skooters
E-bikes and scooters
Both motor and recuperation control algorithms (algoritmus riadenia pre motorický režim aj pre rekuperáciu)
Up to 1kW output power (výstupný výkon až do 1 kW)
Low voltage, high current (nízke napätie (do 12 V), vysoký prúd- desiatky A)

7. Niektoré BLDC aplikácie Typical Automotive BLDC applications
FANs (ventilátory)
HVAC (heating, ventilation, and air conditioning- kúrenie, ventilácia, klimatizácia)
Fuel / liquid pumps (palivové/vodné pumpy)
Požiadavky na aplikácie:
High speed operation (vysokorýchlostná prevádzka)
Low cost control solution (nízko nákladové riešenie riadenia)
Higher efficiency than DC motor (vyššia účinnosť ako má jednosmerný motor )
Sensorless control (bezsnímačové riadenie)

8. HVAC – blower motor – „motor vetráka“
Aplikácie pre potreby elektrických automobilov (Typical Automotive (12V) BLDC applications)
FANs (ventilátory)
HVAC (heating, ventilation, and air conditioning- kúrenie, ventilácia, klimatizácia)
Fuel / liquid pumps (palivové/vodné pumpy)
App. Requirements (požiadavky)
High speed operation (vysokorýchlostná prevádzka)
Low cost control solution (nízko nákladové riešenie riadenia)
Higher efficiency than DC motor (vyššia účinnosť ako má jednosmerný motor )
Palivová pumpa – ukážka integrovaného riešenia
HVAC – blower motor – „motor vetráka“

9. Súčasný stav problematiky:
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
BLAC-Brushless AC motors (bezkefové striedavé motory = SMPM)
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, najmä v elektromobiloch, ktorá nedovolí celkové zlyhanie a haváriu systému, ale automobil bude schopný obmedzenej prevádzky aj za cenu zníženia výkonu. (Možné poruchy: jedna fáza rozpojená, čiže nedá sa riadiť, alebo skratovaná- veľké prúdy, lebo od PM je stále prítomné pole, alebo porucha snímača polohy a pod. )
Návrat k presnejšej výrobe a riadeniu (2015), kvôli problémom so získaním certifikátu EMC (elektromagnetická kompatibilita), ak veľmi nepresná výroba a riadenie spôsobuje prítomnosť mnohých harmonických zložiek a je zdrojom magnetického hluku
Vysokootáčkové motory- vzhľadom k vzorkovacej frekvencii signálu a kvalite použitej súčiastky MSU (mikro controller unit) pre potreby automobilového priemyslu (turbodúchadlá)

10. Vysokorýchlostné elektrické motory (High-Speed Electric Motors)
Ťažko sa hľadá všeobecná definícia pre vysoko-rýchlostný pohon. Ale keďže ide o pohon, ktorého súčasťou je aj mikropočítač, je možné vztiahnuť túto definíciu práve na mikropočítač resp. jeho schopnosť riadiť takýto motor. Sampling range – je to vlastnosť mikropočítača, a ide o schopnosť naskladať (nasamplovať) dostatočné množstvo vzoriek veličín (prúdy, poloha, rýchlosť).
Napríklad, ideálne je mať určenú periódu prúdu aspon 10 vzorkami. 6 vzoriek je kritických, ak je možné určiť len napr. 5, potom nie je možné spätne zrekonštruovať nameraný signál.
Motory s prirodzenou vysokou rýchlosťou (Naturally high speed motors)
Menovitá rýchlosť motora je taká vysoká, že frekvencia veličín motora (prúd, napätie) sú mimo rozsahu vzorkovacej frekvencie. (Nominal (base) speed of the motor is so high that the frequencies of the motor quantities (voltage, current) are out of the sampling range)
Motory s vnútenou vysokou rýchlosťou (Forced high speed operation)
Motor je riadením nútený pracovať pri vysokej rýchlosti vyššej ako základná rýchlosť (rýchlosť pri menovitom napätí a menovitej frekvencii). Pokročilé riadiace techniky známe ako „zoslabovanie budenia“ sa používajú na prevádzku nad touto základnou rýchlosťou. (Motor is forced (controlled) to run over the base speed. An advanced control technique known as a Field Weakening is used to control the motor over the base speed.)
Dosiahnutá rýchlosť je tak vysoká, že frekvencie prúdov a napätí motora sú mimo rozsahu vzorkovacej frekvencie. (Achieved speed of the motor is so high that the frequencies of the motor quantities (voltage, current) are out of the sampling range.

11. BLDC (Brushless D.C.) Motor PMSM (Permanent magnet synchronous motor)
Motory s PM v autách a elektrických automobiloch (PM Motors in Automotive – Example)
BLDC (Brushless D.C.) Motor
PMSM (Permanent magnet synchronous motor)
Palivové pumpy s BLDC motormi
(Fuel/liquid pumps with BLDC)
Zosilňovač riadenia s PMSM
(Power steering with PMSM)
Požiadavky (Application requirements)
Vysokorýchlostná prevádzka (High speed operation)
Jednoduché bezsnímačové riadenie (Simple sensorless control)
Nízkonákladové riadenie (Low cost control solution)
Vyššia účinnosť ako majú DC motory (Higher efficiency than DC motor)
Požiadavky (Application requirements):
Vysokorýchlostná prevádzaka (High speed operation)
Prevádzka s hladkým momentom (Smooth torque operation)
Potlačený hluk a vibrácie (Suppressed vibration and acoustic noise)

12. Vplyv nízkonákladovej výroby na vznik porúch v SMPM
Poruchy nízkonákladovej výroby vznikajú kvôli:
nepresná a nekvalitná montáž
požitie nekvalitných materiálov
použitie nerovnakých rozmerov častí stroja (Mušák, 2015)

13. Modelovanie statickej, dynamickej a kombinovanej excentricity rotora v 2D MKP
SMPM so εSE = 40 a 80%
SMPM s εDE = 40 a 80%
SMPM so εSE = εDE = 20%
SMPM so εSE = εDE = 40%
Zobrazenie excentricity rotora v 2D MKP modely SMPM (Mušák, 2015)
Interpretácia poruchy excentricity rotora (Mušák, 2015)

14. excentricite rotora (Mušák, 2015)
Tvorba radiálnych síl vplyvom excentricity rotora
SMPM
bez excentricity
SMPM so statickou excentricitou
SMPM
bez excentricity
SMPM s dynamickou excentricitou
Radiálne sily pôsobiace na veniec statora pri statickej a dynamickej
excentricite rotora (Mušák, 2015)

15. 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.
Vysokorýchlostné motory (na pohon turbodúchadliel tis. ot/min-vháňanie vzduchu do preplňovaných motorov)

16. Literatúra
Pyrhönen, J., Hrabovcová, V., Semken, R.S.:Electrical Machine Drives Control, An Introduction. John Wiley & Sons, Ltd, 2016, ISBN:
Pyrhönen, J., Jokinen, T., Hrabovcová, V.: Design of Rotating Electrical Machines, John Wiley & Sons, Ltd, second edition, 2014, ISBN:
Hrabovcová, V., Rafajdus, P.: Elektrické stroje. Teória a príklady, Žilina: EDIS, Žilinská univerzita v Žiline, 2009, ISBN , + 2. vydanie 2015, 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 , 2. vydanie vydanie 2014, 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
Mušák, M., Štulrajter, M., Hrabovcová, V., Cacciato, M., Scarcella, G., Scelba, G.: Suppression of Low – order Current Harmonics in AC Motor drives via Multiple Reference Frames Based control Algorithm, Electric Power Components and Systems, Sept. 2015, ISSN: