Mikä on harjaton moottori? Kuinka se toimii, kaaviot ja DC-tyypit selitetty

Mikä on harjaton moottori?

Harjaton moottori on sähkömoottori, joka tuottaa pyörimisvoimaa elektronisesti kommutoitujen magneettikenttien kautta eliminoiden fyysiset hiiliharjat ja mekaanisen kommutaattorirenkaan, joita käytetään tavanomaisissa harjatuissa moottoreissa. Sen sijaan, että se luottaisi liukuviin sähkökoskettimiin virran suunnan vaihtamiseksi roottorin käämien kautta, harjaton moottori käyttää erillistä elektronista säädintä – ESC:tä (elektroninen nopeussäädin) tai BLDC-ohjainta – virran järjestämiseen kiinteiden staattorikäämien läpi tarkalla ajoituksella roottorin asennon mukaan. Itse roottorissa on kestomagneetit, eikä siinä ole lainkaan sähköliitäntöjä.

Tällä arkkitehtuurimuutoksella on kolme välitöntä seurausta. Ensinnäkin harjattuihin malleihin ei liity harjakitkaa tai kipinöintiä – hallitsevaa lämmön, kulumisen ja tehokkuuden lähdettä. Toiseksi lämpöä tuottavat käämit ovat staattorissa, joka on suorassa kosketuksessa moottorin koteloon ja jota voidaan jäähdyttää passiivisesti tai aktiivisesti; harjatussa moottorissa lämpöä kerääntyy pyörivän roottorin sisään, josta sitä on vaikea haihtua. Kolmanneksi kommutoinnin ajoitus voidaan optimoida ohjelmistossa kaikkiin käyttöolosuhteisiin, jolloin moottori voi käydä huipputeholla laajalla kierrosluvulla ja kuormitusalueella. Harjattomilla moottoreilla saavutetaan tyypillisesti 85–95 % hyötysuhde , verrattuna 75–80 %:iin vastaavissa harjatuissa malleissa.

Termi "harjaton moottori" viittaa yleisimmin harjattomaan DC-moottoriin (BLDC), joka saa virtansa tasajännitteestä ja käyttää elektronista kommutaatiota AC-moottorin pyörivän magneettikentän arvioimiseksi. Harjattomat AC-moottorit – mukaan lukien kestomagneettisynkroniset moottorit (PMSM) – toimivat samalla fyysisellä periaatteella, mutta niitä ohjaavat sinimuotoiset AC-aaltomuodot eikä puolisuunnikkaan tasavirtakytkennän. Jokapäiväisessä käytössä "harjatonta moottoria" ja "BLDC-moottoria" käytetään vaihtokelpoisesti kulutuselektroniikassa, sähkötyökaluissa, droneissa, sähköajoneuvoissa ja teollisuusautomaatiossa.

Kaavio a Harjaton DC-moottori : Sisäinen rakenne

Harjattoman tasavirtamoottorikaavion ymmärtäminen edellyttää viiden toiminnallisen elementin tunnistamista: staattori, roottori, kestomagneetit, Hall-efektianturit ja ulkoinen ohjain. Toisin kuin harjattu moottorikaavio – jossa harjat painautuvat pyörivän akselin segmentoitua kommutaattorirengasta vasten – BLDC-kaavio näyttää kaiken sähköisen monimutkaisuuden kiinteässä ulkorungossa, jossa yksinkertainen magneettikokoonpano pyörii sen sisällä tai ulkopuolella.

Staattori (kiinteät käämit)

Staattori on sisäpuolisen BLDC-moottorin kiinteä ulkorakenne (tai ulkorenkaan sisärengas). Se koostuu laminoiduista piiteräsytimistä – meistetty tähti- tai näkyvään napageometriaan – kierrettynä kuparikäämillä, jotka on järjestetty kolmeen vaiheeseen: vaihe A, vaihe B ja vaihe C. Nämä kolme vaihetta on kytketty joko tähtikonfiguraatioon (Y), jossa kaikilla kolmella käämillä on yhteinen neutraalipiste, tai delta (Δ) -konfiguraatiossa, jossa käämitykset yhdistävät päiden kolmioon. Tähtijohdotus on yleisempää BLDC-moottoreissa, koska se tuottaa suuremman vääntömomentin alhaisilla kierrosluvuilla ja yksinkertaistaa säätimen suunnittelua; Kolmiojohdotusta suositellaan, kun suurin nopea teho on etusijalla.

Staattorin urien ja roottorin napojen määrä määrittelee moottorin perusluonteen. 12-paikkainen, 14-napainen konfiguraatio (yleinen drone-moottoreissa) tuottaa tasaisen vääntömomentin pienellä hammastusvoimalla. 9-urainen, 12-napainen rakenne on suosittu sähkötyökaluissa vääntömomenttitiheyden ja valmistuksen yksinkertaisuuden tasapainon vuoksi. Urojen ja napojen määrä määrittää myös sähkösyklin taajuuden – 14-napainen moottori suorittaa 7 sähkösykliä mekaanista kierrosta kohti, mikä tarkoittaa, että sen ohjaimen on kytkettävä virtaa 7 kertaa nopeammin akselin kierrosta kohti kuin 2-napaisen moottorin samalla kierrosluvulla.

Roottori (kestomagneetit)

Inrunner-BLDC-moottorissa – vakiokokoonpano sähkötyökaluissa, kiintolevyissä ja useimmissa teollisuusmoottoreissa – roottori sijaitsee staattorin reiän sisällä. Se koostuu teräsakselista, jonka pintaan on asennettu tai upotettu kestomagneetit. Pinta-asennettavat magneettiroottorit (SPM) ovat yksinkertaisempia valmistaa ja hallitsevat halvemmissa malleissa; sisäpuoliset kestomagneettiroottorit (IPM) upottavat magneetit roottorin laminointien sisään, mikä mahdollistaa suuremman reluktanssin vääntömomentin ja paremman vuon heikkenemisen laajemmilla nopeusalueilla. Sähköajoneuvojen vetomoottoreissa käytetään lähes yleisesti IPM-roottorimalleja.

Outrunner BLDC -moottorit kääntävät tämän geometrian: kestomagneettikokoonpano pyörii kiinteän staattorin ulkopuolella. Tämä antaa outrunnerille suuremman momenttivarren vääntömomentin tuottamiseen ja tekee niistä luonnollisesti sopivia suorakäyttösovelluksiin – drone-potkurit ja sähköiset polkupyörän napamoottorit kiinnittävät kuorman suoraan pyörivään ulkokuoreen, mikä eliminoi vaihteistot. Outrunners tuottaa suurempi vääntömomentti pienemmällä kierrosluvulla kuin vastaavat inrunnert, kun taas inrunnert pyörivät nopeammin ja sopivat paremmin nopeisiin, vaihdettuihin sovelluksiin.

Hall-efektianturit

Useimmissa BLDC-moottoreissa on kolme Hall-anturia asennettuna staattoriin 120°:n välein (tai 60° joissakin kokoonpanoissa). Jokainen anturi havaitsee ohivien roottorimagneettien magneettikentän ja lähettää binaarisen signaalin - korkean tai matalan - riippuen siitä, onko pohjois- vai etelänapa vierekkäin. Kolme anturia yhdessä tuottavat 3-bittisen paikkakoodin (esim. 101, 001, 011, 010, 110, 100), joka kiertää kuuden ainutlaatuisen tilan läpi sähköjaksoa kohden, mikä antaa ohjaimelle riittävän paikannusresoluution määrittääkseen, mikä staattorin vaihe kytkeytyy milloin tahansa. Tämä on harjattoman moottorin kommutointilogiikan ydin: Hall-anturin lähtö → ohjain dekoodaa roottorin asennon → vaihtaa oikean vaiheparin .

Anturittomat BLDC-moottorit jättävät Hall-anturit kokonaan pois ja sen sijaan havaitsevat roottorin asennon tarkkailemalla jännitteettömässä vaihekäämissä muodostuvaa taka-EMF:ää (sähkömoottorivoimaa), kun roottorimagneetit pyyhkäisevät ohi. Anturittomat mallit ovat yksinkertaisempia, kompaktimpia ja halvempia – hallitsevat droneissa, PC:n tuulettimissa ja laitteissa – mutta edellyttävät, että roottori pyörii jo ennen kuin taka-EMF on havaittavissa. Tästä syystä anturittomat moottorit tarvitsevat käynnistyssekvenssin (avoin silmukan pakotettu kommutointi) ennen kuin ne siirtyvät suljetun silmukan takaisin-EMF-seurantaan, ja miksi ne voivat epäröidä tai epäonnistua käynnistymään luotettavasti raskaassa kuormituksessa.

Kuinka harjattomat moottorit toimivat: kommutointisekvenssi

Harjattoman moottorin toimintaperiaate on sähkömagneettinen vetovoima ja hylkiminen staattorin kytkettävien sähkömagneettien ja roottorin kiinteiden kestomagneettien välillä. Säädin luo jatkuvasti pyörivän magneettikentän staattoriin aktivoimalla käämit tietyssä järjestyksessä; roottorin kestomagneetit jahtaavat tätä pyörivää kenttää ja muuttavat magneettisen vääntömomentin mekaaniseksi akselin pyörimiseksi.

Kolmivaiheisessa BLDC-moottorissa, jossa on puolisuunnikkaan muotoinen kommutointi – vakiomenetelmä Hall-anturilla varustetuissa moottoreissa – vain kaksi kolmesta vaiheesta on kytkettynä milloin tahansa. Ohjaimen kuusivaiheinen kommutointisarja toimii seuraavasti:

1. Vaihe 1: Vaihe A positiivinen, vaihe B negatiivinen, vaihe C pois päältä. Tuloksena oleva magneettikenttä vetää lähimmän roottorimagneetin AB-staattorin napaparia kohti.
2. Vaihe 2: Vaihe A positiivinen, vaihe C negatiivinen, vaihe B pois päältä. Kenttä pyörii 60° sähköisesti; roottori seuraa perässä.
3. Vaihe 3: Vaihe B positiivinen, Vaihe C negatiivinen, Vaihe A pois. Kenttä kääntyy vielä 60°.
4. Vaihe 4: Vaihe B positiivinen, Vaihe A negatiivinen, Vaihe C pois päältä. Kierto jatkuu.
5. Vaihe 5: Vaihe C positiivinen, Vaihe A negatiivinen, Vaihe B pois päältä.
6. Vaihe 6: Vaihe C positiivinen, Vaihe B negatiivinen, Vaihe A pois. Yksi täysi sähköjakso on valmis; sekvenssi toistuu.

Jokainen askel pitää jännitteisen kentän hieman roottorin nykyisen asennon edellä – kuten porkkana jatkuvasti roottorin edessä. Roottori ei tule koskaan kiinni, koska heti kun se lähestyy nykyistä pellon sijaintia, ohjain siirtyy seuraavaan vaiheeseen. Nopeutta ohjataan vaihtelemalla käämiin syötettyä jännitettä , tyypillisesti PWM:n (pulse-width modulation) kautta ohjaimen kolmivaiheisen invertterisillan yläpuolen kytkimissä. Vääntömomenttia ohjataan vaihevirran suuruudella. Näiden kahden muuttujan välinen suhde – ja niiden reaaliaikainen optimointi – erottaa BLDC-perusohjaimen kehittyneestä kenttäsuuntautuneesta ohjausjärjestelmästä (FOC).

Kenttäsuuntautunut ohjaus vs puolisuunnikkaan kommutointi

Puolisuunnikkaan muotoinen kommutointi vaihtaa äkillisesti kuuden vaiheen välillä, mikä tuottaa vääntömomentin aaltoilun - jaksollisen vaihtelun lähtömomentissa - kuusinkertaisella sähkötaajuudella. Alhaisilla nopeuksilla tämä aaltoilu aiheuttaa kuultavaa melua ja tärinää; suurilla nopeuksilla siitä tulee mitätön. Field-oriented control (FOC), jota kutsutaan myös sinimuotoiseksi kommutaatioksi tai vektoriohjaukseksi, soveltaa jatkuvasti muuttuvia sinimuotoisia virtoja kaikkiin kolmeen vaiheeseen samanaikaisesti luoden täysin tasaisen pyörivän magneettikentän. Tulos on lähes nollan vääntömomentin aaltoilu, hiljaisempi toiminta ja 5–15 % suurempi hyötysuhde osittaisilla kuormituksilla. FOC vaatii enemmän laskentatehoa (DSP- tai ARM Cortex-mikro-ohjain, joka toimii kymmenillä MHz:llä) ja tarkkaa virrantunnistusta kaikissa kolmessa vaiheessa, minkä vuoksi se on vakiona huippuluokan sähkötyökaluissa, sähköajoneuvoissa ja teollisissa servokäytöissä, mutta vähemmän yleinen kustannusherkissä kuluttajatuotteissa.

Harjaton moottori vs harjattu moottori: Suorituskykyerot, joilla on merkitystä

Harjattoman sähkömoottorikaavion ja harjatun moottorin kaavio paljastaa keskeisen kompromissin: harjatut moottorit ovat mekaanisesti itsekommutoituvia (yksinkertaisempi käyttöelektroniikka, alhaisemmat järjestelmäkustannukset), kun taas harjattomat moottorit siirtävät monimutkaisuuden säätimeen ja saavat vastineeksi merkittäviä suorituskykyetuja.

Harjakaaren muodostuminen on erityisen merkittävää sovelluksissa, joissa EMI (sähkömagneettinen häiriö) on huolenaihe – lääketieteelliset laitteet, tarkkuusmittauslaitteet ja RF-järjestelmät. Harjatun moottorin kommutaattori tuottaa laajakaistaista sähköistä kohinaa taajuusspektrin yli, joka voi kytkeytyä lähellä oleviin herkkiin piireihin. Harjattomat moottorit sitä vastoin tuottavat kytkentäkohinaa vain PWM-taajuudella ja sen harmonisilla - hallittava, ennustettava häiriölähde, joka voidaan suodattaa tavallisilla EMI-vaimennuskomponenteilla.

Harjattoman tasavirtamoottorin tekniset tiedot

Harjattoman tasavirtamoottorin valitseminen sovellukseen edellyttää useiden toisistaan riippuvien eritelmien tulkitsemista, joita ei näy harjattujen moottorien tietosivuilla. Näiden lukujen ymmärtäminen estää virheelliset sovellukset – erityisesti säädinvaatimusten aliarvioinnin, joka on harjattomien moottorien suunnittelussa yleisin määritysvirhe.

• KV-luokitus (RPM/V) — Nopeus ilman kuormitusta, jonka moottori tuottaa syötettyä tasavirtaa kohti ilman yksiköiden muuntamista. 1000 KV:n moottori 12 V:lla pyörii noin 12 000 rpm kuormittamattomana. Korkeampi KV = nopeampi, pienempi vääntömomentti; pienempi KV = hitaampi, suurempi vääntömomentti. Dronen propulsiomoottorit vaihtelevat tyypillisesti 300 KV:sta (isot, hitaat potkurit) 2 500 KV:iin (pienet, nopeat potkurit).
• Jatkuva ja huippuvirta (A) — Jatkuva virta on jatkuva kuormitus, jonka moottori pystyy käsittelemään ilman ylikuumenemista; huippuvirta on hetkellinen maksimi kiihdytyksen tai pysähtymisen aikana. Säätimen virran nimellisarvon tulee ylittää moottorin huippuvirran — ESC:n alimitoitus aiheuttaa FET-vian kovan kiihdytyksen aikana.
• Vaihevastus (mΩ) — Käämivastus minkä tahansa kahden vaiheliittimen välillä. Pienempi resistanssi tarkoittaa pienempää kuparihäviötä (I²R-lämmitys) tietyllä virralla, mutta tarkoittaa myös suurempaa jumivirtaa, joka voi vahingoittaa säädintä, jos virtaa ei ole rajoitettu.
• Vääntömomenttivakio (Nm/A) — Vaihevirran ampeeria kohti tuotettu lähtömomentti, joka on suoraan suhteessa KV:hen käänteissuhteella Kt = 60/(2π × KV). Tämä luku määrittää, kuinka paljon virtaa sovellus tarvitsee suurimmalla vääntömomentilla.
• Napojen lukumäärä — Säädin vaatii oikean kommutointitaajuuden laskemiseksi. 14-napainen moottori nopeudella 3 000 RPM vaatii ohjaimen suorittamaan 7 × 3 000/60 = 350 sähköistä jaksoa sekunnissa – 2 100 kytkentätapahtumaa sekunnissa vähintään puolisuunnikkaan muotoisessa kommutaatiossa.
• Sensoroitu vs anturiton — Sisältääkö moottori Hall-efektiantureita. Anturimoottorit vaativat säätimen, jossa on Hall-anturitulot; anturittomat moottorit tarvitsevat ohjaimen, jossa on back-EMF-tunnistus. Näiden sekoittaminen - anturoidun moottorin käyttäminen anturittomalla ohjaimella - johtaa epäluotettavaan käynnistykseen ja potentiaalin demagnetoitumiseen.

Missä harjattomia moottoreita käytetään: Sovellukset sektoreittain

Harjattomat moottorit ovat syrjäyttäneet harjatut mallit lähes kaikissa suorituskyvyn kannalta kriittisissä sovelluksissa viimeisen kahden vuosikymmenen aikana, mikä johtuu ohjainkustannusten laskusta sekä pidempien huoltovälien ja suuremman tehotiheyden vaatimuksesta.

Kulutuselektroniikka ja kodinkoneet

Kiintolevyaseman karamoottorit olivat ensimmäisten massamarkkinoiden harjattomien sovellusten joukossa – HDD-karojen tarkka nopeudensäätö ja pitkä käyttöikä tekivät harjatuista moottoreista epäkäytännöllisiä alusta alkaen. Nykyään PC-tuulettimet, pesukoneiden rumpumoottorit, robottipölynimurit ja akkukäyttöiset sähkötyökalut käyttävät kaikki vakiona BLDC-moottoreita. Ensiluokkainen akkuporakone harjattomalla moottorilla tarjoaa 25–50 % enemmän käyttöaikaa yhdellä latauksella verrattuna saman jännitteen harjattu vastine, koska suurempi hyötysuhde muuttaa enemmän akkuenergiaa hyödylliseksi työksi lämmöksi.

Dronet ja RC-sovellukset

Moniroottoriset droonit ovat täysin riippuvaisia ulkopuolisista BLDC-moottoreista – tyypillisesti kolmivaiheisista, anturittomista, suoravetoisista – työntövoiman tuottamisessa. Korkean teho-painosuhteen, tarkan elektronisen nopeudensäädön ja huoltoa vaativien harjojen puuttumisen yhdistelmä tekee BLDC:stä ainoan käyttökelpoisen propulsiotekniikan kuluttajille ja kaupallisille UAV:ille. Tyypillinen 5 tuuman FPV-kilpadroonimoottori (2306 runkokoko, 2400 KV) painaa alle 35 g ja tuottaa yli 1 kg työntövoimaa huippuvirralla – tehotiheyttä, jota harjatut moottorit eivät voi lähestyä.

Sähköajoneuvot

Sähköajoneuvojen vetomoottorit ovat pääasiassa sisätilojen kestomagneettisia BLDC- (tai PMSM) -malleja, joita ohjataan FOC-inverttereillä, jotka ovat peräisin korkeajännitteisestä akusta. Teslan takamoottori Model 3:ssa on kytketty reluktanssimalli, mutta etumoottori on PMSM – valittu sen tehokkuuden vuoksi maantieajon täydellä nopeusalueella. BMW i3 ja useimmat Hyundai/Kia EV-mallit käyttävät IPM BLDC -moottoreita. Huipputehot vaihtelevat 150 kW:sta pienikokoisissa sähköautoissa yli 500 kW:iin suorituskykysovelluksissa. Kaikkia hallitaan autoteollisuuden kolmivaiheisilla inverttereillä mikrosekuntitason kytkentätarkkuudella.

Teollisuusautomaatio ja robotiikka

CNC-työstökoneiden, robottivarsien ja kuljetinjärjestelmien servomoottorit ovat lähes yksinomaan harjattomia – FOC-ohjauksen, korkearesoluutioisten kooderien ja suljetun silmukan takaisinkytkennän yhdistelmä takaa paikannustarkkuuden mikroneissa ja nopeuden säädön 0,01 %:n tarkkuudella kuormituksen muutoksissa. Räjähdysvaarallisia kaasuja tai hienojakoista pölyä sisältävissä ympäristöissä (viljankäsittely, kemiantehtaat, kaivosteollisuus) suljetuilla koteloilla varustetut harjattomat moottorit eliminoivat harjakaaren syttymisriskin, ja ne täyttävät ATEX- ja IECEx-vaarallisten paikkojen sertifikaatit, joita harjatut moottorit eivät voi täyttää.