Børsteløs DC-motor

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi
Gå til: navigation, søg
Scientist.svg Svært stof
Denne artikel omhandler svært stof. Der er endnu ikke taget hensyn til ikke-eksperter. Du kan hjælpe ved at skrive en letforståelig indledning.
Et lille modelflys outrunner-BLDC-motor. Det gulfarvede er rotoren.
Et eksempel på en outrunner-BLDC-motor. Den anvendes til en videokassetteoptagers kapstanmotor. Statoren med de grønblå kobbertrådsbeviklinger er boltet fast på metalpladen. Rotoren er består af en ringformet magnet med mange poler og er limet fast på en ydre metalring, som sidder fast på en rund rotormetalplade på bagsiden. Denne rotormetalplade sidder fast på selve kapstanakslen.
Bagsiden af videokassetteoptagerens kapstanmotor. Det elektroniske kontrollerede kommutatorsystem udgøres af den integrerede kredsløb og muligvis af en eller flere Hall sensorer. Nogle elektroniske kontrollerede kommutatorsystemer er designet til Hall-sensorer og andre kan blot registrere/aftaste magnetfeltet mellem rotor og stator ved hjælp af den elektromotoriske kraft af en fasevikling i "tomgang".
Diskettedrevs outrunner-BLDC-motor.
Blæser outrunner-BLDC-motor. Det elektroniske kontrollerede kommutatorsystem er med stor sikkerhed på bagsiden af blæser-printpladen.
Ubeviklet jernlamineret stator, som kan anvendes til en inrunner-BLDC-motor.
Beviklet jernlamineret 3-faset stator, som kan anvendes til en inrunner-BLDC-motor.
El-cykel med en outrunner-BLDC-motor i forhjulet.

En børsteløs DC motor, BLDC-motor (eng. Brushless DC electric motor) er en jævnstrøm el-motor, der bruger et elektronisk kommutator, i stedet for et mekanisk kommutator (se eventuelt elektromotor). En børsteløs motor i sig selv er forholdsvis simplere end traditionelle elektromotorer. Den elektroniske kommutering og styring af børsteløse motorer er avanceret og er i dag, på trods af det, relativ billig.

BLDC-motorer kræver mindre vedligeholdelse, da der er færre dele der bliver slidt og har sædvanligvis bedre ydeevne, højere drejningsmoment og effektivitet (typisk 80-90%, rekord 96%[1]) over et stort vinkelhastighedsinterval, da magnetfelternes vinkel mellem rotoren og statoren kan styres og optimeres øjeblikkeligt efter ønsket kraft, acceleration, deceleration, vinkelhastighed og friløb. [2] [3]

Ydermere danner BLDC-motorer som regel lavere elektrisk støj end de gnistrende mekanisk kommuterede elmotorer.

BLDC-motor bliver bl.a. anvendt til: Elektriske modelfly, modelskibe, modelhelikopterer, el-cykler, diskettedrev, vaskemaskiner, harddisk-drev, videokassetteoptagerhovedets motor og evt. kapstanens motor, elektriske blæsere... [4] [5]

Opbygning[redigér | redigér wikikode]

BLDC-motor er i langt de fleste tilfælde 3-fasede og har derfor i langt de fleste tilfælde 3 tilledninger, som i princippet skal tilkobles 3 vekselstrømsfaser med 120 graders indbyrdes faseforskydning.

En BLDC-motor kan have Hall-sensorer og disse har så separate signaltilledninger.

I alle BLDC-motorer er det roterende armatur permanentmagneter og induktionsspolerne sidder på statoren og er dermed stationære.

BLDC-motor kan konstrueres i to forskellige fysiske opbygninger:

  • inrunner – her er permanentmagneterne monteret på den indre rotorkerne. Stator spolerne omkranser og indelukker rotoren.
  • outrunner (omløber) – opbygningen er permanentmagneterne sidder i en omkransende rotor der roterer om de indre stator-spoler.

Gear kan i mange tilfælde overflødiggøres ved anvendelse af det rette BLDC-motor design. F.eks. kan langsomtgående BLDC-motorer designes med mange poler, så drejningsmomentet og effektiviteten holdes højt. Denne designegenskab og fremkomsten af billige supermagneter (samariumkoboltmagneter og neodymiumagneter) omkring år 2000, har gjort BLDC-motorer meget populære til elektriske modelfly, da det sparer vægt og er mere effektivt.

En yderligere innovation af den børsteløse DC-motors konstruktion, blev gjort ved LaunchPoint af ingeniør Geoff Long. Konstruktionen med kulfiber vejer ca. 0,64kg, yde ca. 5kW ved 8400 rpm med 95% virkningsgrad. [6] En af grundene til den høje virkningsgrad skyldes anvendelsen af rotor magneter placeret i Halbach array formation på begge sider af den jernløse stator. Hermed fjernes årsagen til eddytabsstrømme og hysteresetab.

Den elektroniske kommutering og styring udgøres af en 3-faset vekselretter, som via Hall-sensorer eller ved hjælp af den elektromotoriske kraft af en fasevikling i "tomgang", registrerer/aftaster magnetfeltet mellem rotor og stator – inkl. rotorretning – og dette anvendes til at styre de tre faser i henhold til ønsket kraft, acceleration, deceleration, vinkelhastighed og friløb.

Som et eksempel på en BLDC-motor med indbygget elektroniske kommutering og styring til elcykler, er der MITs design fra 2008. [7]

Sammenligning af børsteløse med børstede motorer[redigér | redigér wikikode]

I en traditionel (børstet) DC-motor, skaber børsterne, også kendt som kullene, mekanisk kontakt med et sæt kontakter på rotoren (kaldet kommutatoren), og danner et elektrisk kredsløb imellem DC strømforsyningen og rotorens spoleviklinger. Når armaturet roterer på akslen, vil den roterende kommutator og de stationære børster skabe en elektrisk kontakt, så strømmen sluttes til den rotor-spole der er nærmest den stationære stator (permanent magnet).

I børsteløse motorer erstatter en intelligent elektronisk kontrol børste-/kommutator systemet. Den elektroniske kontroller styrer kommuteringsfunktionen, og håndtere strømfordelingen til hver stator-spole sådan at det elektromagnetiske felt produceret af stator-spolerne altid ”følger rotoren”. I systemer med børsteløse DC motorer, kaldes de integrerede kredsløb der udfører kommuteringsfunktionen elektronisk hastighedskontrol. Kontrolleren består af et sæt effekt MOSFET enheder, der driver den kraftige DC strøm og en microcontroller til at styre de hurtigt skiftende strømme præcist. Da kontrolleren altid følger rotoren, har den brug for en måde til at bestemme rotorens position i forhold til stator spolerne. Nogle designs bruger HALL effekt sensorer til direkte at måle rotorens position. Andre måler den dannede spænding i de spoler, der ikke forsynes med spænding til at bestemme positionen og gør separate HALL effekt sensorer overflødige. (børsteløse DC motorer danner en trapezformet spænding, hvor en børsteløs AC motor danner en sinusformet spænding).

Børsteløse motorer har følgende fortrin frem for børstede DC-motorer; højere pålidelighed, længere levetid (ingen eroderende børster), eliminere de ioniserende gnister fra kommutatoren, ogen generel reduktion af elektromagnetisk interferens (EMI). Børsteløse motorers største ulempe er den højere pris, som opstår fra to punkter: For det første kræver en børsteløs motor høj effekt MOSFET enheder i fabrikationen af den elektroniske hastighedskontrol. Børstede DC-motorer kan reguleres med i sammenligningen simple variable modstande (potentiometer eller rheostat), som ikke er effektive men tilfredsstillende til lavpris apparater. For det andet, når man sammenligner teknikkerne til motor fremstillingen imellem børsteløse og børstede motorer, kræver mange børsteløse designs manuelt arbejde til at hånd-vikle stator spolerne, hvor børstede motorer bruger armatur spoler der kan maskine vikles billigt.

Børsteløse motorer betragtes som mere effektive end børstede motorer. Det betyder at ved den samme indgangs effekt, vil en børsteløs motor omdanne mere elektrisk energi til mekanisk energi end en børstet motor. Den øgede effektivitet er størst i den ubelastede og lavt belastede område af motorens effektivitets kurve. Under høj mekanisk belastning er børsteløse og en højkvalitets børstet motor næsten lige effektive.

Anvendelse[redigér | redigér wikikode]

Børsteløse motorer kan anvendes alle steder hvor der ellers bruges en børstet DC motor. Prisen forhindre at børsteløse motorer erstatter børstede motorer i mange af de mest almindelige anvendelser. Alligevel er børsteløse motorer kommet til at dominere i mange områder: Høj effekt børsteløse motorer bruges i elektriske biler, industrielle apparater og robotter. Bruger enheder som computer harddiske, CD/DVD afspillere, og PCens køle blæsere bruger næsten kun børsteløse motorer. Lav hastigheds, lav effekts børsteløse motorer bruges i direkte-drevne pladetallerkener

En stigende popularitet af eldrevne modelfly har skabt en efterspørgsel på højtydende børsteløse motorer. Mange hobbybyggere er begyndt at pille børsteløse motorer ud af kasserede CD-drev og DVD-drev – og genbruge dem i radiostyrede modelfly. Det har medført et stigende udbud af børsteløse motorer tilgængelige for slutbrugeren, til robotter og radiostyrede modelbiler. Børsteløse motorer sælges også som DIY (do-it-yourself – gør det selv) sæt, hvorved køberen kan spare penge ved at samle motoren selv.

Kilder/referencer[redigér | redigér wikikode]

  1. Apr 3, 2009, Tetsuo Nozawa, Nikkei Electronics: Tokai University Unveils 100W DC Motor with 96% Efficiency Citat: "..."It exceeds 96% even if measurement error is taken into consideration," Kimura said..."(However,) the cost is nearly 20 times higher than that of commonly-used motors with efficiencies ranging from 80 to 89%," Kimura said. The high cost is attributable to the iron-based amorphous core material..."
  2. remote-control-rc-hobby.com: The Highly Efficient Brushless Motor Citat: "...Since motor efficiency is largely dependent on the volume of copper (amount of wire inside) in the motor, and brushless motors can fit much more copper inside (thicker wires) than a brush motor of equivalent size, a brushless motor yields much better performance by lowering resistance, increasing efficiency, and increasing torque..."
  3. youtube.com: Lecture – 33 DC and BLDC Servo Drives, BLDC-motor omtale starter ca. 50 minutter og 24 sekunder inde: Lecture – 35 Step Motor Drives BLDC Drives
  4. uk.youtube.com: CenturyUK's GL450SE – Pilot : Ian Contessa
  5. El-cykel: youtube.com: Crystalyte X5304 48v Nimh
  6. 09/21/09, LaunchPoint: LaunchPoint Announces Powerful New Electric Motor Citat: "... ...Halbach array electric motor. With a total weight of only 1.4 pounds, this electric motor produces 7 horsepower at 8400 rpm with 95 percent efficiency...ironless rotor and stator eliminate iron eddy current and hysteresis losses..."
  7. 13. okt 2008, ing.dk: Københavnske cykler får baghjul med motor og batteri Citat: "...Den nye elcykel vil være attraktiv, fordi den er i stand til at oplade batteriet ved at opsamle bremseenergi, hvilket er nyt for elcykler. Den er også speciel på den måde, at alt – motor, elektronik og batteri – er samlet som en kompakt enhed i et standard baghjul. Hjulet kan altså nemt eftermonteres på de fleste cykler...", 2008, mit.edu: MIT research bringing 'smart bikes' to Denmark

Eksterne henvisninger[redigér | redigér wikikode]

  • LRK torquemax (PS: Den med viklingerne er statoren og huset og centeraksen roterer):