Σύγχρονοι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες
Χάρη στη σημαντική πρόοδο στα ηλεκτρονικά ημιαγωγών και στην τεχνολογία δημιουργίας ισχυρών μαγνητών νεοδυμίου, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα. Χρησιμοποιούνται σε πλυντήρια ρούχων, ηλεκτρικές σκούπες, ανεμιστήρες, drones κ.λπ.
Και παρόλο που η ιδέα της αρχής λειτουργίας ενός κινητήρα χωρίς ψήκτρες εκφράστηκε ήδη από τις αρχές του 19ου αιώνα, περίμενε στα φτερά μέχρι την αρχή της εποχής των ημιαγωγών, όταν οι τεχνολογίες έγιναν έτοιμες για την πρακτική εφαρμογή του αυτή η ενδιαφέρουσα και αποτελεσματική ιδέα, η οποία επέτρεψε στους κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες να περπατούν τόσο ευρέως όσο σήμερα. …
Στην αγγλική έκδοση, ονομάζονται κινητήρες αυτού του τύπου Κινητήρας BLDC — Κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες — κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες. Ο ρότορας του κινητήρα περιέχει μόνιμοι μαγνήτες, και οι περιελίξεις εργασίας βρίσκονται στον στάτορα, δηλαδή, η συσκευή κινητήρα BLDC είναι εντελώς αντίθετη από αυτή που υπάρχει στον κλασικό βουρτσισμένο κινητήρα. Ο κινητήρας BLDC ελέγχεται από έναν ηλεκτρονικό ελεγκτή που ονομάζεται ESC — Ηλεκτρονικός ελεγκτής ταχύτητας — ηλεκτρονικό cruise control.
Ηλεκτρονικός ρυθμιστής και υψηλή απόδοση
Ο ηλεκτρονικός ρυθμιστής επιτρέπει την ομαλή μεταβολή της ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχεται στον κινητήρα χωρίς ψήκτρες. Σε αντίθεση με τις απλούστερες εκδόσεις των ρυθμιστών ταχύτητας αντίστασης, οι οποίοι απλώς περιορίζουν την ισχύ συνδέοντας ένα ωμικό φορτίο σε σειρά με τον κινητήρα, ο οποίος μετατρέπει την περίσσεια ισχύ σε θερμότητα, ο ηλεκτρονικός έλεγχος ταχύτητας παρέχει σημαντικά υψηλότερη απόδοση χωρίς σπατάλη της παραδοθείσας ηλεκτρικής ενέργειας για περιττή θέρμανση. ..
Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες μπορεί να ταξινομηθεί ως αυτοσυγχρονιζόμενος σύγχρονος κινητήρας, όπου ένας κόμβος σπινθήρα που απαιτεί τακτική συντήρηση είναι εντελώς απενεργοποιημένος — συλλέκτης… Η λειτουργία του συλλέκτη αναλαμβάνεται από τα ηλεκτρονικά, λόγω των οποίων η συνολική σχεδίαση του προϊόντος απλοποιείται πολύ και γίνεται πιο συμπαγής.
Οι βούρτσες στην πραγματικότητα αντικαθίστανται από ηλεκτρονικούς διακόπτες, οι απώλειες στους οποίους είναι πολύ μικρότερες από ό,τι θα ήταν με τη μηχανική μεταγωγή. Οι ισχυροί μαγνήτες νεοδυμίου στον ρότορα επιτρέπουν μεγαλύτερη ροπή στον άξονα. Και ένας τέτοιος κινητήρας θερμαίνεται λιγότερο από τον προκάτοχό του συλλέκτη.
Ως αποτέλεσμα, η απόδοση του κινητήρα είναι η καλύτερη και η ισχύς ανά κιλό βάρους είναι υψηλότερη, συν ένα αρκετά μεγάλο εύρος ρύθμισης της ταχύτητας του ρότορα και σχεδόν πλήρη απουσία παραγόμενων ραδιοπαρεμβολών. Δομικά, οι κινητήρες αυτού του τύπου προσαρμόζονται εύκολα για να λειτουργούν στο νερό και σε επιθετικά περιβάλλοντα.
Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου είναι ένα πολύ σημαντικό και ακριβό μέρος ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες, αλλά δεν μπορεί να παραλειφθεί.Από αυτή τη συσκευή, ο κινητήρας λαμβάνει ισχύ, οι παράμετροι της οποίας επηρεάζουν ταυτόχρονα τόσο την ταχύτητα όσο και την ισχύ που θα μπορεί να αναπτύξει ο κινητήρας υπό φορτίο.
Ακόμα κι αν δεν χρειάζεται να ρυθμιστεί η ταχύτητα περιστροφής, εξακολουθεί να χρειάζεται μια ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, επειδή όχι μόνο φέρει τη λειτουργία ελέγχου, αλλά διαθέτει και εξάρτημα τροφοδοσίας ρεύματος. Μπορούμε να πούμε ότι το ESC είναι ανάλογο του ελεγκτής συχνότητας για ασύγχρονους κινητήρες ACειδικά σχεδιασμένο για την τροφοδοσία και τον έλεγχο του κινητήρα DC χωρίς ψήκτρες.
Έλεγχος κινητήρα BLDC
Για να κατανοήσουμε πώς ελέγχεται ένας κινητήρας BLDC, ας θυμηθούμε πρώτα πώς λειτουργεί ένας κινητήρας με μεταγωγέα. Στον πυρήνα του την αρχή της περιστροφής του πλαισίου με ρεύμα σε μαγνητικό πεδίο.
Κάθε φορά που το πλαίσιο με το ρεύμα περιστρέφεται και βρίσκει μια θέση ισορροπίας, ο μεταγωγέας (οι βούρτσες πιέζονται πάνω στον συλλέκτη) αλλάζει την κατεύθυνση του ρεύματος μέσα από το πλαίσιο και το πλαίσιο συνεχίζει. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται καθώς το πλαίσιο μετακινείται από πόλο σε πόλο. Μόνο στο μοτέρ συλλέκτη υπάρχουν πολλά τέτοια πλαίσια και υπάρχουν αρκετά ζεύγη μαγνητικών πόλων, γι' αυτό ο συλλέκτης βούρτσας δεν περιέχει δύο επαφές, αλλά πολλές.
Το ίδιο κάνει και η ECM. Αντιστρέφει την πολικότητα του μαγνητικού πεδίου μόλις ο ρότορας πρέπει να απομακρυνθεί από τη θέση ισορροπίας. Μόνο η τάση ελέγχου δεν τροφοδοτείται στον ρότορα, αλλά στις περιελίξεις του στάτορα και αυτό γίνεται με τη βοήθεια διακοπτών ημιαγωγών την κατάλληλη στιγμή (φάσεις ρότορα).
Είναι προφανές ότι το ρεύμα στις περιελίξεις του στάτη ενός κινητήρα χωρίς ψήκτρες πρέπει να τροφοδοτείται τη σωστή στιγμή, δηλαδή όταν ο ρότορας βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη γνωστή θέση. Για να το κάνετε αυτό, χρησιμοποιήστε μία από τις ακόλουθες μεθόδους.Το πρώτο βασίζεται στον αισθητήρα θέσης του ρότορα, το δεύτερο είναι μετρώντας το EMF ενός από τα πηνία που δεν λαμβάνει ρεύμα.
Οι αισθητήρες είναι διαφορετικοί, μαγνητικοί και οπτικοί, οι πιο δημοφιλείς είναι οι μαγνητικοί αισθητήρες Εφέ Hall… Η δεύτερη μέθοδος (βασισμένη στη μέτρηση EMF), αν και αποτελεσματική, δεν επιτρέπει ακριβή έλεγχο σε χαμηλές ταχύτητες και κατά την εκκίνηση. Οι αισθητήρες Hall, από την άλλη πλευρά, παρέχουν πιο ακριβή έλεγχο σε όλες τις λειτουργίες. Υπάρχουν τρεις τέτοιοι αισθητήρες σε τριφασικούς κινητήρες BLDC.
Οι κινητήρες χωρίς αισθητήρες θέσης ρότορα ισχύουν σε περιπτώσεις που ο κινητήρας ξεκινά χωρίς φορτίο άξονα (ανεμιστήρας, έλικας κ.λπ.). Εάν η εκκίνηση γίνεται υπό φορτίο, απαιτείται κινητήρας με αισθητήρες θέσης ρότορα. Και οι δύο επιλογές έχουν τα υπέρ και τα κατά τους.
Μια λύση με αισθητήρα μετατρέπεται σε πιο βολικό έλεγχο, αλλά εάν τουλάχιστον ένας από τους αισθητήρες αποτύχει, ο κινητήρας θα πρέπει να αποσυναρμολογηθεί, επιπλέον, οι αισθητήρες απαιτούν ξεχωριστά καλώδια. Στην έκδοση χωρίς αισθητήρα, δεν χρειάζονται ειδικά καλώδια, αλλά κατά την εκκίνηση ο ρότορας θα ταλαντεύεται μπρος-πίσω. Εάν αυτό είναι απαράδεκτο, είναι απαραίτητο να εγκαταστήσετε αισθητήρες στο σύστημα.
Ρότορας και στάτορας, αριθμός φάσεων
Ο ρότορας ενός κινητήρα BLDC μπορεί να είναι εξωτερικός ή εσωτερικός και ο στάτορας εσωτερικός ή εξωτερικός αντίστοιχα. Ο στάτορας είναι κατασκευασμένος από μαγνητικά αγώγιμο υλικό, με τον αριθμό των δοντιών να διαιρείται πλήρως με τον αριθμό των φάσεων. Ο ρότορας μπορεί να είναι κατασκευασμένος, όχι απαραίτητα από μαγνητικά αγώγιμο υλικό, αλλά απαραίτητα με μαγνήτες σταθερά συνδεδεμένους σε αυτόν.
Όσο ισχυρότεροι είναι οι μαγνήτες, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαθέσιμη ροπή. Ο αριθμός των δοντιών του στάτορα δεν πρέπει να είναι ίσος με τον αριθμό των μαγνητών του ρότορα.Ο ελάχιστος αριθμός δοντιών είναι ίσος με τον αριθμό των φάσεων ελέγχου.
Οι περισσότεροι σύγχρονοι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες είναι τριφασικοί, απλώς για απλότητα σχεδιασμού και ελέγχου. Όπως και στους κινητήρες επαγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος, οι περιελίξεις των τριών φάσεων συνδέονται εδώ με τον στάτορα με ένα "τρίγωνο" ή "αστέρι".
Τέτοιοι κινητήρες χωρίς αισθητήρες θέσης ρότορα έχουν 3 καλώδια ισχύος και οι κινητήρες με αισθητήρες έχουν 8 καλώδια: δύο πρόσθετα καλώδια για την τροφοδοσία των αισθητήρων και τρία για τις εξόδους σήματος των αισθητήρων.
Οι κινητήρες εξωτερικού ρότορα χαμηλής ταχύτητας κατασκευάζονται με μεγάλο αριθμό πόλων (και επομένως δοντιών) ανά φάση για να επιτυγχάνεται περιστροφή με γωνιακή συχνότητα σημαντικά μικρότερη από τη συχνότητα του ρεύματος ελέγχου. Αλλά ακόμη και με τριφασικούς κινητήρες υψηλής ταχύτητας, ο αριθμός των δοντιών μικρότερος από 9 συνήθως δεν χρησιμοποιείται.